地铁隧道穿越城市山岭水压力取值探讨

康立鹏

（深圳市市政设计研究院有限公司）

城市地下轨道交通区间隧道一般为浅埋隧道，地下水压力相对较小，随着近年来地下轨道交通的新线建设越来越多，更多的出现地铁隧道下穿城市山岭，此时地下水压力较高，如何确定作用隧道衬砌上的水压力取值，成了衬砌结构设计的关键问题，目前国内外有较多学者进行了相关研究。

蒋雅君[1]通过建立隧道排水体系的串联模型，指出隧道排水能力取决于排水体系中渗透系数最小的排水部件，应通过测试每个排水部件的排水能力来确定整个隧道排水体系的排水能力；通过塑料排水板通水量试验表明衬砌外水压力受衬砌排水能力与入渗水量之间的关系影响，且整个排水系统存在一个最优的工作平衡点。张进[2]通过有限差分软件FLAC3D建立了具有衬砌背后排水系统的三维有限元模型，计算结果表明设置衬砌背后排水系统时，拱顶、拱肩的水压力应折减更多；排水系统的排水量越大，衬砌背后的水压力折减系数越小；排水系统在隧道运营是否能保持通畅，对水压力折减系数具有控制作用。李治国[3]通过分析既有隧道防排水存在的问题，研究复合式衬砌中由衬砌周边围岩、复合防水层、衬砌防水钢筋混凝土的整体防水能力，认为隧道排水量及衬砌背后水压力应控制在一定的范围内，在隧道排水的同时，可以通过围岩注浆止水降低围岩渗透系数，在排水管出口安装阀门进行限量排放。肖明清[4]通过研究衬砌背后防排水系统的三维空间效应，分析了隧道水压力的纵向分布特征及水压力控制方法。上述研究主要针对隧道衬砌、衬砌背后防排水系统、围岩渗透特性分析隧道水压力折减系数，没有综合考虑隧道水头高度的取值，本文在综合考虑隧道水头高度取值的情况下，对地铁隧道穿越城市山岭的水压力取值进行探讨。

1 勘探钻孔的缺陷

地铁隧道下穿城市山岭设计阶段，主要通过地质钻孔对城市山岭的水文地质情况进行勘探，并辅以工程物探措施，地质钻孔平均距离约为50m[5]，较大的钻孔距离并不足以反映隧道穿越段山岭的水文地质情况，如图1、图2 所示，图中将山体中具备强透水能力的断裂、裂隙统称为透水带，当地质钻孔刚好位于不同的透水带中间时，勘探资料并不能反映山体中具有强透水能力的透水带情况，若完全以勘察资料中地质钻孔反映的水文地质条件进行隧道衬砌结构与防排水设计，衬砌背后水压力可能取值过小，导致工程事故。

图1 隧道纵向钻孔示意图

图2 隧道横向钻孔示意图

实际当隧道穿越山体时，即使穿越处透水带范围很小，在隧道开挖阶段渗水量较小，若隧道采用全包排水措施，不能及时将透水带中的积水从衬砌背后排出，随着衬砌背后积水越来越多，水头越来越高，同样将产生较大的水压力[6]。

2 山顶下水头高度取值探讨

由于工程地质勘探并不能完全反映隧道穿越山岭时的水文地质情况，因此山体内透水带的分布情况存在各种可能性，各种不同分布形式将对隧道穿越山岭时的水头高度存在较大影响。本章节在对水压力进行分析时，不考虑由于地质构造原因产生的岩体内部压力水头。

2.1 山体岩石完整

当山岭内的山体岩石完整，不存在透水带时，隧道纵向地质示意图如图3 所示，由于岩石非常完整，完全不具备透水能力，整个隧道开挖完成后位于无水区，穿越山顶处的隧道拱顶水头高度可以取0。

图3 岩石完整时隧道纵向地质示意图

2.2 山体岩石不完整

当山岭内的山体岩石不完整时，山体内的透水带分布情况同样存在各种可能性，将对隧道穿越山岭时的水头高度存在较大影响，如图4 所示，当透水带几乎垂直时，衬砌拱顶水头高度应取山顶至隧道顶部的距离h1为水头高度，当透水带为倾斜时，衬砌拱顶水头高度应取透水带顶部至隧道顶部的垂直距离h2为水头高度。

综合上述，由于山岭内岩石透水带分布的复杂性，地质钻孔不能完全反映出隧道衬砌与外界的水力联系情况，透水带的不同分布对山顶下方的隧道拱顶水头高度取值影响很大，最小可以取0，最大可以取隧道顶至山顶的高度。

图4 岩石不完整时隧道纵向地质示意图

3 山谷、山脚水头高度取值探讨

3.1 山体岩石完整

当山谷处岩石完整，不存在透水带时，隧道纵向地质示意图如图5 所示，由于岩石非常完整，完全不具备透水能力，整个隧道开挖完成后位于无水区，穿越山谷处隧道拱顶水头高度可以取0。

图5 岩石完整时隧道纵向地质示意图

3.2 山体岩石不完整

当山谷处岩石不完整时，山体内的透水带分布情况存在各种可能性，将对隧道穿越山谷时的水头高度存在较大影响，如图6 所示，当透水带几乎垂直时，衬砌拱顶水头高度应取山谷至隧道顶部的距离h3为水头高度，当透水带为倾斜并联通山顶时，衬砌拱顶水头高度应取山顶至隧道顶部的垂直距离h4为水头高度。

图6 岩石不完整时隧道纵向地质示意图

由于山岭内岩石透水带分布的复杂性，地质钻孔不能完全反映隧道衬砌与外界的水力联系情况，透水带的不同分布对山谷下方的隧道拱顶水头高度取值影响很大，最小可以取0，最大可以取隧道顶至山顶的高度。

4 隧道防排水系统与水头折减系数关系

根据文献[7-8]可知，隧道水压力折减系数计算公式如下：

式中，

r1——衬砌外径；

r0——衬砌内径；

k1——衬砌渗透系数；

kr——围岩渗透系数；

H——水头高度。

从上述公式可知，隧道水压力折减系数主要跟衬砌渗透系数与围岩渗透系数的比值有关，当隧道为排水型隧道时，可以根据衬砌渗透系数与围岩渗透系数的比值对水压力进行折减，当隧道为全包防水，不允许排水时，水压力折减系数为1。

对于地铁隧道，当采用矿山法开挖时，若衬砌背后设置由环向透水管、纵向透水管、横向透水管构成的排水系统，且能保证运营阶段排水系统通畅时[2]，可对衬砌背后水压力进行折减，若衬砌背后无排水系统，并设置全包防水层，不可对水压力进行折减。当采用盾构法施工时，由于目前盾构管片均不具备设置衬砌背后排水系统的条件，因此不可对水压力进行折减。

5 地铁隧道穿越城市山岭水压力取值建议

地铁隧道穿越城市山岭时，山岭内岩体的断裂、裂隙分布不可能做到完全掌握，根据第2、3 节对于岩体内透水带分布的各种情况的论述，且城市山岭一般规模不大，海拔不高，建议对穿越城市山岭的隧道水压力进行保守取值。综合第4 节隧道水压力折减系数，对于地铁隧道穿越城市山岭的水压力取值建议如下：

⑴地铁隧道穿越城市山岭时建议取山顶标高作为设计水位标高。

⑵当隧道采用矿山法施工，且具有可靠的排水系统时，可参照文献[9]对水压力进行折减，其它情况不得对水压力进行折减。

图7 深圳某区间隧道纵断面

6 工程实例

深圳地铁某区间隧道先后下穿城市山岭小南山、大南山，隧道采用矿山法施工，下穿小南山处隧道最大覆土约50m，下穿大南山处隧道最大覆土约90m，纵断面见图7，矿山法隧道衬砌背后设置环向、纵向、横向排水管构成排水型隧道，隧道结构设计中，下穿小南山段水头高度取50m，下穿大南山段水头高度取90m，水压力折减系数参照文献[9]取0.8 进行折减进行结构计算，目前该隧道已开通运营，且衬砌结构状态良好。

7 总结

⑴对地铁区间隧道穿越城市山岭的水头高度取值进行探讨分析，由于山体内透水带的分布规律无法完全掌握，建议对水头高度进行保守取值，将山顶标高作为设计水位标高。

⑵根据既有文献对水压力折减系数的探讨，结合地铁区间隧道特征，建议仅对地铁隧道采用矿山法施工，且衬砌背后具有可靠的排水系统时进行水压力折减。

⑶将上述分析应用于深圳地铁某区间矿山法隧道，目前该区间隧道结构状态良好。