隧道排水土工织物抗淤堵性能模型试验研究

周 旋， 李鹏飞， 肖明清， 张顶立， 龚彦峰

(1. 北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室， 北京 100124；2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063；3. 北京交通大学川藏铁路研究院， 北京 100044)

0 引言

土工织物作为一种新型的土工合成材料，已经被广泛地应用于隧道工程。作为隧道防排水系统的“反滤层”，土工织物的主要功能是抑制土体大量流失并满足隧道排水要求，同时保护防水板及其背后的隧道排水盲管。然而，在地下水的作用下，土工织物的内部和表面会发生淤堵现象，使得土工织物有效透水孔径减小，整体的排水性能下降，衬砌外侧水压力增大，可能导致隧道发生渗漏水病害，致使隧道的稳定性和安全性下降[1-4]。在实际隧道建设中，土工织物通常铺设在隧道二次衬砌的外侧，属于隧道中的“隐性工程”，若土工织物发生淤堵，运营人员无法及时对其进行疏通清理。因此，富水隧道土工织物的淤堵问题成为了隧道长期运营的一个关键难题。

现有的《土工合成材料测试规程》[5]针对土工织物的淤堵问题，采用了渗流梯度比试验进行测定，并规定梯度比GR<3作为土工织物能满足“反滤层”的标准。国内外学者针对不同影响因素开展了大量的淤堵试验研究[6-11]，结果表明： 当土体黏粒含量越大、黏性土密度越大、土工织物孔径越小、水力梯度越大、试验梯度比越大时，土工织物越容易发生淤堵且淤堵程度越严重。其中，黏粒含量和土工织物孔径对土工织物淤堵过程的影响较大。文献[12]在现有的淤堵试验仪上增加了密封系统并减小了测压管距离，进行梯度比试验后发现采用真空抽气使得土体饱和效果较好，现有的梯度比标准(GR<3)在一定程度上不能准确地反映土工织物的淤堵情况。文献[13]自主研制了多功能渗透试验装置并进行了淤堵试验，结果表明有纺土工织物对土体渗流具有一定的抑制作用。文献[14-17]研究了单向拉伸作用对土工织物反滤性能的影响，试验发现单向拉伸会使有纺织物的等效孔径增大，透水性和防淤堵性能增强，保土性能减弱，而无纺布则相反； 单向拉伸对同种土工织物的影响随着厚度的增大而增加。文献[18]对双向拉伸后的土工织物进行了循环水流梯度比试验，结果表明： 随着循环水流周期的减小，土体内部的土颗粒流失会逐渐增大； 双向拉伸强度的增加会使土工织物渗透性能增强，保土性降低。

综上所述，目前的研究主要是利用规范中的土工织物淤堵试验仪或改进后的试验装置进行梯度比试验，分析土体、土工织物和水力条件等因素对土工织物渗透性能、抗淤堵性能和保土性能的影响，没有结合实际矿山法隧道防排水结构特点进行研究。本文通过结合矿山法隧道拱形断面结构和环向排水管间接布置等特点，设计土工织物淤堵室内试验装置，研究土工织物类型、土工织物层数和淤堵类型对隧道断面不同位置处土工织物淤堵规律的影响。

1 试验基本情况

1.1 试验装置

隧道土工织物淤堵规律试验装置主要由模型箱和供水系统2部分组成，如图 1所示。模型箱尺寸为2 m×1.5 m×1 m(长×宽×高)，用于盛装试验材料(物理淤堵下模型箱内部截面布置如图 2所示，化学淤堵无填土层)； 模型箱底部两侧设置了高1 m的钢支撑架，钢支撑架底部4个角部装有滚轮，便于移动试验装置； 模型箱外侧布设1道箍圈，对模型箱进行加固处理，防止模型箱过度变形； 模型箱底侧中央内嵌半径为0.5 m的半圆形钢板，模拟隧道的上半拱形结构； 半圆形钢板上沿纵向设置4排泄水孔，相邻2排的间距为25 cm，每个横截面设置5个泄水孔，分别设置在隧道横截面30°、60°、90°、120°、150°处(分别对应图2中的拱腰1、拱肩1、拱顶、拱肩2、拱腰2)，模拟隧道环向排水管的间隔排水功能。

(a) 试验装置模型图(单位： m)

图2 模型箱正视图(单位： m)

供水系统包括集水箱、分水器和进水口。集水箱尺寸为3 m×1 m×0.9 m(长×宽×高)，四周由5 mm厚的钢板焊接而成，用于盛装试验溶液； 集水箱内侧底部设置变压水泵，负责将试验溶液输送至分水器中； 分水器与模型箱各进水口通过软管相连，将试验溶液运输至模型箱内指定位置； 模型箱内的溶液通过泄水孔排出，再沿模型箱外侧底部边槽流回集水箱。水流循环如图3所示。

图3 水流循环

1.2 试验材料

本试验包含土工织物物理淤堵试验和化学淤堵试验，选取的2种土工织物来自北京某隧道施工工地，样品如图4所示。2种土工织物的物理力学参数见表1。

(a) 涤纶短丝

表1 试验土工织物的物理力学参数

1.2.1 物理淤堵

物理淤堵是指土颗粒在地下水的作用下积聚在土工织物表面及其内部，造成土工织物渗透性能下降的现象。本试验的填土材料取自北京某地铁施工工地，其物理参数见表2。通过颗粒级配试验测定该砂土属于粉砂，含有0.075 mm以下的颗粒质量比例为15.62%。通过渗透性试验，测得该砂土的渗透系数为1.1×10-3cm/s。

表2 砂土的物理参数

1.2.2 化学淤堵

化学淤堵是指地下水中的离子生成的化学结晶附着在土工织物的表面和内部，导致土工织物反滤性能下降的现象。经调研发现，富水岩溶隧道化学结晶淤堵物的主要成分为碳酸钙。故本试验研究Ca(HCO3)2向CaCO3结晶的转化过程，其反应化学方程式为

1.3 试验工况

本试验主要研究土工织物类型、土工织物层数(厚度)以及淤堵类型等因素对拱形隧道不同位置处土工织物淤堵规律的影响，具体试验工况如表3所示。

表3 试验工况

1.4 试验流程

物理淤堵试验流程包括装样、填土、通水渗流、数据测定等，化学淤堵试验无填土过程。各步骤的详细说明如下。

1.4.1 装样

根据模型箱尺寸裁剪试验土工织物，沿模型箱内侧底部中央向四周紧密铺设土工织物，从而避免土工织物内部存在较大气泡，土工织物的边缘用防水胶固定，防止溶液从边缘缝隙处流出影响渗流路径，如图 5所示。在试验箱内侧进水口布置滤网，防止颗粒随溶液回流至试验箱。

图5 土工织物铺设实物图

1.4.2 填土

对试验填土进行盛装、称重，将其倒入模型箱内并分层进行人工夯实，每层夯实后的高度为10 cm，最终填土高度为60 cm，填土总质量为2 094 kg，最终实际填土密度为1.73 g/cm3。填土过程如图 6所示。

图6 填土过程

1.4.3 通水渗流

将试验装置各个部分相连，打开水泵让溶液流入模型箱内部并检查各部分是否漏水。待水位达到75 cm后打开泄水孔阀门，同时调节水泵转速让模型箱内部水位保持稳定。由于地下水渗流初期处于紊流状态，故待溶液循环渗流2 h后测定试验数据。

1.4.4 数据测定

待溶液渗流稳定后，每隔3 h测定并记录各泄水孔的流量，采用量筒(量程为25 mL，精度为1 mL)测量规定时间内(根据流量大小选取测量时间5、10、20 s等)泄水孔处的流量，然后计算单位时间内通过泄水孔的流量。每隔3 h用烧杯采集集水箱内离子溶液50 mL，用试剂(0.1 mol/L氢氧化钠、钙红指示剂、0.1 mol/L 的EDTA溶液等)对钙离子浓度进行测定，计算离子损失浓度并配置相应的溶液进行补充。

渗流淤堵时间初定为36 h。试验结束后，关闭水泵开关，打开底部排水口排干模型箱内部溶液，取出土工织物并自然风干，测定并记录风干后土工织物的单位面积质量。

2 试验结果及分析

2.1 土工织物类型影响

2.1.1 流量变化

聚酯长丝和涤纶短丝土工织物在化学结晶作用下横断面不同位置处的流量变化曲线如图7所示。由图可知： 1)在化学淤堵试验前，聚酯长丝土工织物拱腰、拱肩和拱顶处的单位时间流量均大于涤纶短丝土工织物对应位置处的流量(6.10 mL/s>2.67 mL/s，4.25 mL/s>1.58 mL/s，2.6 mL/s>0.8 mL/s)，说明聚酯长丝土工织物的透水性能强于涤纶短丝土工织物； 2)当溶液渗流36 h后，2种土工织物各位置的流量基本保持稳定，聚酯长丝土工织物拱腰、拱肩和拱顶最终稳定时的单位时间流量也都大于涤纶短丝对应位置处的流量。试验表明，在化学淤堵前后聚酯长丝土工织物的透水性能优于涤纶短丝。当同一横断面各点流量稳定时，拱腰处的流量却小于拱肩，说明拱腰处的流量减小比例相对较大，该处的淤堵程度最严重。因此，在施工现场铺设土工织物时，可以在隧道底部铺设聚酯长丝土工织物或者铺设双层土工织物，从而提高隧道底部排水系统整体的抗淤堵性能和透水性能。

图7 化学淤堵流量变化曲线

聚酯长丝土工织物最终的拱腰、拱肩和拱顶各处流量减小比例(流量减小比例为36 h内流量的减小量与对应初始流量的比值)依次为84.26%、72.94%、77.69%； 涤纶短丝土工织物各处依次为86.14%、70.25%、76.25%。在同一水位高度下，聚酯长丝和涤纶短丝土工织物各位置处的流量减小比例相差均保持在3%以内，说明聚酯长丝和涤纶短丝土工织物抵抗化学结晶淤堵的能力基本相同。

聚酯长丝和涤纶短丝土工织物在物理淤堵作用下横截面不同位置处的流量变化曲线如图 8所示。在物理淤堵试验中，聚酯长丝土工织物拱腰、拱肩和拱顶处单位时间流量的最终减小比例依次为45%、20%、10%； 涤纶短丝土工织物依次为40%、17%、13%，说明聚酯长丝和涤纶短丝抗物理淤堵性能基本相同。

图8 物理淤堵流量变化曲线

由图8可知，2种土工织物拱腰处流量的减小比例明显大于拱肩和拱顶处的流量变化。有以下2个原因： 1)拱腰处的流量较大，单位时间通过的土颗粒较多并沉积在拱腰处，导致其土工织物淤堵程度相对较大； 2)拱顶、拱肩处土颗粒在重力和地下水的作用下发生移动并且沉积在拱腰处，导致拱腰处堵塞程度进一步加深。

由图 7和图8可知，在化学淤堵和物理淤堵试验中，各泄水孔的单位时间流量均呈现出先减小后稳定的规律，这是因为堵塞物(化学结晶、土体颗粒)在水流作用下发生移动，沉积在土工织物的表面和内部，沉积在土工织物处的堵塞物同时也受到地下水的冲刷作用。试验初期，堵塞物的沉积速率强于水流冲刷速率，导致堵塞物不断沉积，土工织物的有效排水孔径减小，排水性能不断下降； 当冲刷速率和沉积速率达到平衡后，堵塞物不再增加，土工织物的排水性能保持稳定。

2.1.2 结晶程度

化学淤堵试验后土工织物的实物图如图9所示。由图可知，聚酯长丝和涤纶短丝土工织物在化学淤堵试验后，表面均聚集沉淀了大量的化学结晶杂质，并且靠近泄水孔处的土工织物淤堵程度更严重。综上所述，建议在隧道环向排水盲管两端布设微型流量监测计。若监测流量大幅减小，说明该断面的土工织物发生了淤堵现象，应及时采取疏通措施。

A为2个相邻泄水孔间空白处的土工织物； B为泄水孔影响范围内的土工织物。

化学淤堵后土工织物各位置处的单位面积质量如图10所示。由图可知，涤纶短丝土工织物拱腰、拱肩和拱顶处的单位面积质量基本都大于聚酯长丝对应位置的单位面积质量。这是由于两者的生产工艺不同，涤纶短丝内部纤维采用杂乱编织制作工艺，增大了结晶杂质与涤纶短丝之间的附着力，导致涤纶短丝材料更易附着化学结晶等杂质，说明聚酯长丝土工织物的保土性能优于涤纶短丝。对于围岩等级较低且排水要求较高的隧道，建议使用排水性能和抗化学淤堵性能较好的聚酯长丝土工织物作为隧道“反滤层”材料。

图10 化学淤堵后土工织物各位置处的单位面积质量

2.2 试验淤堵类型影响

化学离子和砂土颗粒单独作用下的聚酯长丝和涤纶短丝土工织物截面处的总流量变化曲线如图 11所示。由图可知，无论聚酯长丝土工织物还是涤纶短丝土工织物，化学淤堵试验前后截面总流量的减小比例约为物理淤堵试验的3倍，说明2种土工织物受到化学结晶淤堵作用要强于物理土颗粒淤堵作用，有以下2个原因： 1)在物理淤堵试验中，进入土工织物内部的细土颗粒会随着土工织物表面淤堵程度的增大而逐渐减小； 而在化学淤堵试验中，即使土工织物表面发生了淤堵，土工织物内部也可以不断地生成化学结晶，导致其内部的淤堵程度不断加深，渗透性能不断降低。2)由于土层对于地下水流动具有一定的阻碍作用，导致物理淤堵试验下土工织物同一位置处的单位时间流量较小，土颗粒不易进入土工织物内部造成淤堵； 在化学淤堵试验中，土工织物上方无砂土覆盖，泄水孔处的单位时间流量较大，通过的离子量较多，结晶生成速率远大于冲刷速率，导致土工织物的淤堵程度更严重，排水性能减弱。

图11 土工织物截面处的总流量变化曲线

2.3 土工织物层数影响

2.3.1 流量变化

双层和3层涤纶短丝土工织物在化学淤堵作用下的流量变化曲线如图12所示。可以看出，3层涤纶短丝土工织物拱腰、拱肩和拱顶处的单位时间流量在化学淤堵前后各位置流量规律都表现为拱腰>拱肩>拱顶，说明在同一水位下，随着水头高度的增加，其单位时间内流量越大。

图12 多层涤纶短丝土工织物化学淤堵作用下的流量变化曲线

单层、双层、3层涤纶短丝土工织物在化学淤堵作用下横截面总流量随时间的变化曲线如图13所示。可以看出，在化学淤堵试验前后土工织物的单位时间流量始终为3层>双层>单层，说明随着土工织物层数的增加，土工织物的整体排水性能更强，笔者认为这是因为地下水在土工织物内的渗透为体积渗透而不是单纯的平面渗透，随着土工织物厚度的增加，其渗透体积也随之增加，系统整体的透水性能越好。试验前后双层土工织物总流量约为单层的4倍，3层约为单层的5倍，随着土工织物层数的增加，整体渗透性能提升的幅度越来越小。

图13 多层涤纶短丝土工织物在化学淤堵作用下横截面流量随时间的变化曲线

试验前后3层、双层和单层土工织物的流量减小比例为33%、49%、79%，说明随着土工织物层数的增加，其整体的抗化学淤堵性能增加，因为随着土工织物厚度的增加，其透水体积越大，过滤层内部所能容纳的结晶沉淀就越多，整体的抗化学淤堵性能就越好。对于富水岩溶隧道，当单层土工织物不能满足隧道排水要求时，可考虑铺设多层土工织物来满足隧道的排水要求。

2.3.2 结晶程度

化学淤堵后涤纶短丝土工织物的表面结晶情况如图14所示。可以看出，即使铺设多层土工织物作为“反滤层”，每层土工织物表面均附着了一些杂质，都发生了一定程度的淤堵，其中靠近顶层的土工织物结晶覆盖面积更大。在同一层中，越靠近泄水孔的位置，其表面结晶程度越强，淤堵程度越严重。

(a) 双层

化学淤堵试验后土工织物各位置的单位面积质量如图15所示。可以看出，试验后各层土工织物的单位面积质量均大于初始值，说明各个位置处的土工织物均发生了一定的化学淤堵。

(a) 双层

无论是在双层还是3层土工织物中，顶层土工织物泄水孔处土工织物的单位面积质量均大于相邻泄水孔同一纵向处的土工织物，其中双层约为1.3倍，3层约为1.1倍。这是因为泄水孔作为本试验中唯一的排水通道，大量的结晶杂质随着水流汇流并附着在泄水孔上方土工织物处，导致泄水孔上方的淤堵程度更为严重。因此，在矿山法防排水体系中，为了缓解环向排水管上方土工织物的淤堵程度，可以考虑在环向土工织物上方的一定范围内布设抗淤堵性能较好的聚酯长丝土工织物或设置双层土工织物，从而保证排水系统的长期运营。

3 结论与建议

本文结合隧道拱形断面形式和环向排水管间隔布置等特点，设计了室内模型试验，重点分析了土工织物的类型、层数和淤堵类型等对隧道不同位置处土工织物淤堵规律的影响。主要结论如下：

1)对于同一隧道断面，随着水头高度的增加，其所受的水压力和单位时间内的流量逐渐增大。隧道拱腰处的土工织物淤堵程度最严重。在实际工程中，建议重点监测隧道底部土工织物的淤堵情况。

2)由于化学结晶能够在土工织物内部生成，土工织物受化学淤堵的影响程度比物理淤堵更大。淤堵试验表明，聚酯长丝土工织物的抗化学淤堵、抗物理淤堵能力与涤纶短丝基本相同，但是聚酯长丝的透水性能和保土性能优于涤纶短丝。对于富水溶岩隧道，可考虑使用聚酯长丝土工织物作为隧道“反滤层”，进而满足隧道长期运营时的排水要求。

3)对于多层土工织物，顶层土工织物的淤堵程度最严重；随着土工织物层数的增加，其整体的透水性能和抗化学淤堵性能增强，提升幅度逐渐减小。当单层土工织物不能满足隧道排水要求时，可以考虑使用多层土工织物作为隧道排水系统的“反滤层”。位于隧道环向排水管周围的土工织物的淤堵程度较严重，在铺设隧道土工织物时，建议在环向排水管周围更换布置排水性能和抗淤堵性能较好的土工织物。

本试验探究了静水头下土工织物的淤堵规律，可以进一步研究变水头和物理化学耦合作用下土工织物的淤堵规律，并结合实际隧道工程监测数据加以论证。