渗压计埋设装置在隧道中的应用研究

彭 勋

（中国铁路南宁局集团有限公司 工电检测所，高级工程师，广西 南宁 530029）

1 引言

在桂、黔、滇等典型的喀斯特地貌省区下开挖的隧道，常常会不可避免地穿越破碎带或落水洞等不良地段。雨季时，雨水从裂隙中径直流下，而该地段下的隧道衬砌则承受了巨大水压作用，此时隧道容易出现渗漏、开裂等病害。一旦水压过大，衬砌结构破坏，则会产生巨大的安全隐患。据统计，我国有近1/3的铁路、公路及地铁隧道存在渗漏水病害［1-2］。工程监测在减轻和降低隧道风险方面可发挥巨大作用，监测结果可为工程尽早地提供风险预报、预测相关结构的变形发展、提示危险情况并及时采取经济措施等［3-5］。因此，渗水严重地段的隧道外环水压进行实时监测预警，在水压达到预警值时及时排水泄压是极为重要的。

传统水压计埋设方法是在隧道上部地面钻孔至隧道衬砌外侧，再埋设渗压计进行水压测量，但这种方法仅适用于隧道埋深浅且上方无建筑物的情况［6］。而对于隧道埋深大或上方已有建筑物时，通常采用先钻孔放置渗压计，后使用膨润土或混凝土封堵的方式。但在水压作用下，膨润土或混凝土无法做到完全堵水，水会将孔洞中的细骨料冲出后形成渗水通道，水压过大时甚至会将堵水材料完全冲出，无法监测衬砌背后真实水压。因此，在埋深大的既有渗水隧道外环埋设渗压计，尚无合适的方法。

2 隧道情况分析

2.1 隧道概况

益湛线卿家巷隧道位于湖南省永州市，为山岭隧道，隧道中心里程为K393+542，全长2046m，衬砌结构为复合式衬砌，于2009年建成通车。目前隧道内已出现多处渗水情况（如图1），在渗水部位打泄压孔降压多日水压依旧较大（如图2），因此监测该部位水压无法按照常规方法埋设渗压计，同时需要解决封堵防漏难题。

图1 隧道边墙渗水

图2 现场泄水照片

卿家巷隧道所在地貌为低山丘陵，地层主要由上覆第四系全新统坡洪积粉质黏土/坡积粉质黏土夹角砾土或坡残积粉质黏土夹黏土和下伏基岩组成。在施工过程中发现该隧道穿越两条破碎带、一处落水洞和一条沟谷。因此，在雨季时雨水及地下水沿裂隙渗流而下，直接作用于隧道衬砌结构上，导致隧道在靠近上述不良围岩处渗水严重。此外，隧道还存在多处结构病害，如拱顶空洞、衬砌开裂、防水板切割二衬等，隧道病害进一步发展将危及行车安全。

2.2 渗水难题

为确保铁路运输安全，目前隧道内多处渗漏水部位已打泄压孔，防止水压过大引起隧道结构性破坏。但由于无法得知衬砌背后真实水压，盲目打孔不仅会破坏衬砌结构完整性，持续泄水也会产生许多严重的地质灾害和环境问题，如地面沉降变形、地表塌陷、林木枯死等。

因此，在衬砌外环安装渗压计，对隧道衬砌外水压进行实时监测预警，根据水压监测值采取相应防控措施是保障隧道安全的重要一环。本装置设计用于隧道内实时监测水压的同时，也可充当泄压孔的使用，可避免过度打孔对隧道衬砌产生不利影响。

3 渗压计埋设装置及应用研究

3.1 结构组成

为解决大埋深、大水压的既有隧道水压监测难题，对卿家巷隧道水压监测预警研究，提出了一种新型渗压计埋设装置。该装置包括堵水空腔管、渗压计套管、封盖三部分，如图3、图4所示。

图3 渗压计埋设装置示意图

图4 渗压计埋设装置三维图

3.1.1 堵水空腔管 堵水空腔管为内部空心管，外部设置双层开口胶筒，胶筒在外力作用下可产生一定形变，将堵水空腔管打入直径略小于管体直径的钻孔中，胶筒即可堵住空腔管外侧的水，当水压过大时，胶筒与管壁中间被水挤压撑开，而胶筒与衬砌孔壁贴合更紧密，从而达到遇水自锁的效果。钻孔直径越是小于堵水空腔管外侧胶筒直径，止水效果越好。此外，堵水空腔管尾端还设置有突出圆盘，使用膨胀螺栓将圆盘固定于衬砌内表面，以此避免在拧入或拧出封盖时堵水空腔管发生转动。

3.1.2 渗压计套管 渗压计套管外径小于空腔管内径，将套管伸入空腔管内部即可将渗压计置于衬砌与围岩交界面上，使渗压计监测数据更为准确；套管前端设置渗压计固定筒，固定筒上有许多渗水小孔，孔洞将沙石隔离在外，将水渗透入孔内，使得固定筒内的渗压计可以实时监测到水压数据，而不被沙石破坏。

3.1.3 封盖 封盖底端设置外螺纹，与堵水空腔管内测端部螺纹连接，从而堵住空腔管内部渗水；封盖中间预留小孔拉出电缆线；顶端突出六角螺母形状，便于封盖的拧入拧出。

3.2 应用特点

3.2.1 堵水能力强 双层开口胶筒朝向迎水面，遇水自锁，在大水压冲刷作用下也能够进行安装，同时水压越大，防渗性能越强。

3.2.2 安装简便 与传统渗压计埋设方式相比，无需填料、注浆堵孔，只需将堵水空腔管打入孔中即可使用。

3.2.3 可多次开启 传统方式埋设渗压计后，使用膨润土或混凝土堵住孔口，后期渗压计损坏失效后则无法取出，形成“坏孔”；本装置则可多次开启，及时置换损坏的渗压计。

3.2.4 可卸压 当监测水压达到预警值后，可拧开封盖取出套管及渗压计，在列车运行天窗期时作为泄压孔使用，从而避免多次打孔，破坏衬砌结构。

3.3 隧道现场安装

3.3.1 钻孔 使用钻孔设备在隧道衬砌渗水部位钻孔至围岩接触面，孔洞直径需小于堵水空腔管外径几毫米，水压越大时，孔洞直径需设置的越小。

3.3.2 固定堵水空腔 将孔洞内泥沙清理干净，在孔壁或堵水空腔管的胶筒上涂上油脂，以防破坏胶筒，而后将堵水空腔管打入孔中，再使用膨胀螺栓将堵水空腔管固定于衬砌上。

3.3.3 拉出电缆线 渗压计放入套管前端的固定筒中，将电缆线从套管中拉出，而后穿过封盖预留孔，并使用止水胶填满电缆线与预留孔之间的缝隙，防止预留孔处渗水。

3.3.4 放入渗压计套管 止水胶凝固后，将渗压计套管放入堵水空腔管中，再将封盖拧入空腔管端部，堵住渗水，监测衬砌外环水压。

3.3.5 封盖 监测水压数据过大时，可将封盖拧出，取出渗压计及套管，让水从空腔管内部流出，达到泄压效果，泄压完毕后再将渗压计及套管放入空腔管内，封盖拧入，继续监测水压。最终安装效果如图5所示。

图5 渗压计在隧道中的安装

3.4 监测系统

将渗压计埋设装置应用于卿家巷隧道内监测隧道水压，选取K393+150和K393+160两个渗水严重断面、取4个点位进行远程监测，通过自动化监测云平台进行水压实时预警，监测预警系统设计如图6所示。

图6 水压监测预警系统设计图

其中，渗压计置于埋设装置内部，测量水压数据，采集仪将数据记录后通过GPS模块将数据传送至远程监控平台，进行实时水压预警，当监测水压超过预警值后，在空窗期打开渗压计埋设装置，取出渗压计，将堵水空腔管作泄压孔使用，降低隧道外环水压，直至水压降低至安全范围内，再放入渗压计持续监测隧道外环水压，保障隧道运营安全。近期卿家巷隧道水压监测结果如图7所示。

图7 卿家巷隧道水压监测结果

3.5 监测作用

3.5.1 保障隧道运行安全 通过在隧道衬砌外环与岩土交界面安装孔隙水压计，将传感器与无线采集仪相连接，通过采集仪发送的监测数据建立水压实时在线预测预报系统，通过此自动化监测系统，实现隧道衬砌结构水压的实时监测和预警，保障隧道运行安全。

3.5.2 阻断危险 根据监测结果，判断隧道的安全状况，在水压达到预警值时及时进行泄压措施，遏止危险趋势，确保隧道内的安全。

3.5.3 分析水压变化 根据监测数据，掌握衬砌背后水压的变化规律，观测因降雨、排水等导致的水压变化；具备长期监测并自动存储功能，可以对隧道衬砌背后水压的变化规律进行动态分析。

4 结论

以卿家巷隧道水压监测预警项目为研究，研制了新型渗压计埋设装置，并介绍了该装置的结构组成及在隧道现场中的应用，该装置解决了传统埋设方法封堵防漏难题，装置操作安装简单，同时可多次开启置换，避免出现“坏孔”现象。此外，该装置还可兼做泄压孔使用，避免在衬砌上多次打孔，破坏结构，适用于渗漏水严重的公路、铁路隧道，应用场景广泛，可为众多既有隧道的运营安全保驾护航。