基于長期監測的高水壓巖溶隧道二次襯砌水壓特征研究

申 志 軍

(蒙西華中鐵路股份有限公司， 工程技術部， 北京 100073)

高水壓巖溶隧道的建設是目前隧道界公認的難題，施工中經常遭遇突水突泥，隧道建成后水害問題嚴重[1-5]。京廣鐵路南嶺隧道和貴昆鐵路梅花山隧道建成后，暴雨引起襯砌裂縫，局部射水和沖倒邊墻；京原線驛馬嶺隧道通車后因洞內高水壓射水導致線路停運一年；武吉高速公路南石壁隧道因高壓射水導致襯砌開裂和路面拱起；渝懷鐵路圓梁山隧道在毛壩向斜段地下水位高達450 m， 為減少排放地下水對環境的影響設計了全封堵襯砌，由于要抵抗4.5 MPa的高水壓，二襯采用厚1 m的圓形斷面鋼筋混凝土襯砌，設置50 kg/m、間距0.33 m的雙環鋼軌，建成后仍出現襯砌滲水。隨著我國西部山區隧道建設的發展，高水壓隧道的設計尤其是水壓設計問題引起了隧道界學者極大關注，取得了豐碩的成果[6-12]。目前的研究主要集中在理論分析和模型試驗方面，對運營隧道水壓長期監測的數據較少。宜萬鐵路全線共有隧道159座，其中巖溶隧道91座。沿線巖溶強烈發育，隱伏溶腔水壓高、充填物復雜，修建難度極大，運營過程中水的威脅極大。宜萬鐵路建設中，根據巖溶隧道地質災害級別評估巖溶隧道的風險，首次確定了巖溶隧道風險管理等級，其中8座確定為高風險巖溶隧道，按Ⅰ級風險進行管理[1,5]。本文通過對野三關、大支坪、馬鹿箐、云霧山等4座高風險巖溶隧道運營過程中水壓的長期監測，結合理論分析和模型試驗結果，詳細論述高水壓巖溶隧道二次襯砌的水壓特征，為高水壓巖溶隧道的建設和運營管理提供參考。

1 高水壓巖溶隧道二襯水壓長期監測

1.1 隧道簡況及二次襯砌水壓監測方案

野三關、大支坪、馬鹿箐、云霧山隧道是宜萬鐵路最典型的4座高風險巖溶隧道，巖溶強烈發育，施工中發生了突水突泥，且出規模較大的高壓充填溶腔。掌握運營過程中襯砌水壓動態是保證線路安全運營的基礎，對這4座隧道發生突水突泥的溶腔段進行二襯水壓長期監測。4座隧道的基本情況及二襯長期水壓監測斷面布置情況見表1。二襯水壓測點布置情況見圖1。水壓測點布置在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻及仰拱。

表1 4座高風險巖溶隧道簡況

1.2 測試結果及分析

野三關隧道2個監測斷面長期水壓動態見圖2，2012年10月16日DK124+602斷面二襯水壓分布見圖3。從圖2可以看出，野三關隧道606溶腔段監測得到的二襯水壓總體值不大，最大水壓小于0.09 MPa；水壓的動態與雨季關系密切，DK124+585斷面測點在2012年雨季期間水壓增長明顯，水壓導致右邊墻水壓急劇升高，仰拱水壓增大也較明顯，說明這段時間洞內水溝出現排水不暢；二襯水壓在左右側分布不對稱，右側大于左側，這與排水洞設于Ⅰ線左側關系密切。從圖3可以看出，拱頂水壓較大，邊墻腳處較小，這與邊墻處水溝局部排水效應有關。

大支坪隧道3個監測斷面長期水壓動態見圖4，其“+990”溶腔排水洞布置情況見圖5。從圖4可以看出，大支坪隧道“+990”溶腔段水壓不大，小于0.08 MPa；襯砌仰拱處水壓較大，符合靜水壓分布規律，說明洞內排水較少；Ⅱ線水壓明顯小于Ⅰ線水壓，由于大支坪隧道排水洞位于Ⅱ線右側(見圖5)，說明排水洞的位置影響局部滲流場的分布，從而影響襯砌水壓的分布。

馬鹿箐隧道3個監測斷面長期水壓動態見圖6。實測得到的馬鹿箐隧道DK255+978溶腔段襯砌水壓最大值小于0.14 MPa。襯砌仰拱處水壓較大，符合靜水壓分布規律。Ⅱ線水壓明顯小于Ⅰ線水壓，這是由于馬鹿箐隧道排水洞位于Ⅱ線左側。分析三個斷面的水壓分布還可以發現，總體右側相應位置測點水壓要大于左側，也說明了排水洞的位置會影響襯砌水壓的分布。

云霧山隧道監測斷面長期水壓動態見圖7。該段襯砌水壓小于0.045 MPa；襯砌仰拱和邊墻處水壓較大，符合水壓分布規律。

上述監測數據表明，4座高風險巖溶隧道在高壓富水溶腔地段的襯砌水壓都較低，雨季有微小波動，其他時間變化平穩，遠低于1.0 MPa的抗水壓襯砌設計值。

2 影響高水壓巖溶隧道二次襯砌水壓的因素

水壓力是作用在高水壓巖溶隧道襯砌上的主要荷載，水壓力取值的合理性直接關系到隧道的安全和造價。由于巖溶的復雜性，巖溶隧道襯砌水壓的確定較為困難，水壓力大小與水位、隧道通過裂隙與地表聯系程度以及所采用的隧道防排水系統等都有關系。

2.1 初始水壓力的影響

高水位隧道一般采取折減系數法確定初始水壓[13-14]。

P=β·γH

( 1 )

式中：P為巖溶隧道初始水壓力；β為襯砌外水壓折減系數，不同情況下β的取值[13]見表2；H為地下水作用水頭；γ為水容重。

表2 不同情況下β取值

對于巖溶隧道，宜萬鐵路大量的實測資料表明[1,5]，折減系數在0.03～0.86之間變化，比文獻[13]提出的0.1～0.5的變化范圍更寬，因此巖溶隧道不適合采用單一的折減系數法。研究發現，巖溶隧道初始水壓力大小主要受隧道上、下方的排泄基準面控制，同時還與排泄能力和降雨的補給有關[6]，見圖8 。初始水壓可表示為

P=f(Q+,Q-,Qin)

( 2 )

式中：Q+、Q-分別為上、下排泄基準面的排泄能力；Qin為降雨補給能力。

應該注意的是，有些隧道沒有天然的臨近強排泄基準面，施工中采取排水泄壓后，形成新的排泄基準面。以馬鹿箐隧道為例，DK255+978溶腔段溶腔段沒有明顯排泄基準面，泄壓前掌子面實測水壓1.2 MPa。采取排水泄壓，泄水支洞在隧道上方16.5 m，按式( 2 )計算得到初始水壓力為0.17 MPa，實測水壓值0.18 Mpa。表3為4座隧道高水壓溶腔段初始水壓的測試情況。

表3 巖溶隧道初始水壓力測試值

2.2 注漿和排水的影響

對巖溶隧道，注漿加固和排水減壓是保證隧道施工安全的重要措施。為研究注漿和排水對襯砌水壓的影響，通過模型試驗開展襯砌水壓特征的研究。模型試驗臺架可同時施加水壓力和圍巖壓力，且可模擬真實的水滲流場，最大水壓加載能力為0.5 MPa。試驗主要研究高壓富水充填型溶腔段內襯砌水壓的分布規律。以宜萬鐵路典型的泥沙充填型溶洞-大支坪隧道990溶腔為原型，按照相似理論配制圍巖材料[1]。按照1∶16的幾何比例預制隧道二次襯砌模型，并按照實際隧道情況布設排水口，試驗過程中可通過集中閥門控制排水量。設置好排水系統的隧道模型及試驗過程見圖9。水壓測點用數字表示，測點布置見圖10。

圖11為全封堵情況下注漿圈和襯砌背后各點水壓與進水口壓關系曲線。由圖11可以看出，隨著進水口水壓增大，襯砌背后和注漿圈外側各點水壓均增大；各點水壓增長規律基本一致，符合靜水壓力分布規律；全封堵時注漿圈對水壓無折減作用。

水壓加載到0.07 MPa，保持水壓不變，改變隧道排水量，各測點水壓與排水量關系曲線見圖12。從圖12可以看出，盲管排水量增大時，注漿圈外側測點和襯砌背后測點的水壓均減??；排水量越大，減壓規律越明顯，基本呈直線下降，排水口附近水壓降低較明顯。

上述研究表明，如果隧道不排水，不論注漿與否，作用在襯砌上的水壓都不減小。只有考慮隧道排水時才能發揮注漿加固圈對滲透水壓的衰減作用；二次襯砌上水壓主要受隧道排水量Q2與滲入初期支護的水量Q1的綜合影響，與Q2/Q1成反比。因此，要降低襯砌水壓又不加大隧道的排水量，對地層進行有效的注漿是唯一的解決措施。同時，應注意注漿材料的耐久性。隨著運營時間的增加，隧道結構本身的排水系統存在堵塞的可能性[15]，如果注漿體失效，進入初期支護的水量大增，造成襯砌水壓明顯增大。

3 高水壓巖溶隧道二襯水壓計算分析

3.1 概化模型的提出

根據以上分析，可得高水壓巖溶隧道二次襯砌水壓計算公式

( 3 )

式中：Q1為滲入初期支護水量；Q2為隧道內排水量。

P通過式(2)的排泄基準面法或實測得到。P值是一個變化的值，在后期的運營中隨著降雨情況及泄水洞排泄是否通暢等變化，在施工期某一階段測得的值可以作為參考。Q2是設定的隧道內排水量，排水量大，襯砌上的水壓就??；排水量小，襯砌上的水壓就大。隧道總的排水量(包括泄水洞排放量和洞內出水量)應該與洞頂水環境平衡結合考慮，即允許適度排放降低襯砌水壓力，但又不致使泉眼枯竭和疏干漏斗范圍內水體大量流失。滲入初期支護水量Q1計算式為[16]

( 4 )

式中：r0為初期支護內徑；r1為初期支護外徑；rg為注漿圈半徑；r2為遠場距離，等于H；Q1為滲入初期支護的水量；kr、kg、kl分別為圍巖、注漿圈、初期支護的滲透系數。

3.2 二襯水壓計算分析

以野三關隧道為例，取地層滲透系數較大的DK124+147～DK126+920段(DK124+602溶腔所在區段)進行分析。根據地質資料，地層滲透系數kr=0.036 m/d≈4×10-5cm/s，將隧道斷面等效為圓形，r0=5.6 m，r1=5.9 m，kl=1×10-6cm/s，n=kr/kg，n取1、10、50、100。野三關隧道施工期排水泄壓后實測水壓0.1 Mpa，泄水洞排水通暢，H=10 m時滲入初期支護的水量與注漿圈半徑的關系見圖13。

由圖13可見，隨著注漿半徑的增加，隧道滲入初期支護的水量逐漸減小，n越大注漿效果越好，隧道滲入初期支護的水量越小，說明對圍巖注漿可以大大減小隧道的滲入初期支護的水量；注漿半徑超過14 m(注漿厚度達到8 m)后，隧道滲入初期支護的水量隨注漿厚度增加的變化很小，說明注漿圈厚度存在一個合理的區間，目前一般取3～8 m。野三關隧道在DK124+602溶腔段的注漿厚度取8 m，按一般的注漿效果，n取10，滲入初期支護的水量為0.208 96 m3/(m·d)。

圖14為H=10 m時二襯水壓與隧道排水量的關系。從圖14可以看出，隧道內排水量為0時，不論注漿與否，二襯的水壓都不會折減，保持初始水壓；隧道內進行排水時，襯砌水壓隨排水量增大而減小，注漿效果越好，排水量下水壓折減越明顯。DK124+602段實測洞內排水溝流量在0.10～0.15 m3/(m·d)之間，注漿取n=10，二襯水壓20～50 kPa，實測最大水壓36 kPa，說明本計算模型可以用來預測巖溶隧道二襯水壓。

圖15為n=10時不同初始水壓與排水量的關系曲線。由圖15可以看出，隨著初始水壓的增加，二襯水壓急劇增大。以H=80 m為例，若保持洞內水溝的排水量0.2 m3/(m·d)，二襯的水壓將達到0.7 MPa。盡管尚未達到抗水壓襯砌的設計值，但是襯砌系統長期處于高水壓下是很不利的。

3.3 泄水洞排水不暢情況下水壓思考

為保證運營的安全，對以上4座高風險巖溶隧道均設置了永久排水洞。從目前的長期水壓測試值看，隧道二襯水壓較小，最大為抗水壓襯砌設計值(1.0 MPa)的13%(馬鹿箐隧道DK255+955斷面)，現場調研發現排水洞排放通暢，說明可以利用施工階段實測的初始水壓值進行分析。隨著運營時間的增長，若出現暴雨期排水洞排水不暢，根據式( 3 )、式( 4 )，出現初始水壓P增加，隧道排水量大增，大大影響二襯水壓。因此，在運營的過程中，應對排水洞進行定期檢查和維護，保證排水通暢。

4 結論

本文通過對宜萬鐵路4座高風險巖溶隧道長期襯砌水壓的監測，結合理論、模型試驗和施工實際分析了巖溶隧道二襯水壓規律，結論如下：

(1) 各隧道實測襯砌水壓總體值不大，最大0.13 MPa，低于1.0 MPa抗水壓襯砌設計值。

(2) 斷面水壓分布受洞內排水效應影響明顯，在洞內排水溝滲水量不大的地段，斷面水壓總體分布與靜水壓規律一致，仰拱最大；在洞水排水較大地段，邊墻水壓折減明顯。斷面水壓分布受排水洞位置影響。水壓的動態與雨季關系密切。

(3) 巖溶隧道初始水壓的確定主要受隧道上、下方的排泄基準面控制，同時與排泄能力和降雨的補給有關。初始水壓確定后，二次襯砌上水壓與注漿關系密切。如果隧道不排水，不論注漿與否，作用在襯砌上的水壓都不減小。只有考慮隧道排水時才能發揮注漿加固圈對滲透水壓的衰減作用。

(4) 二襯水壓受隧道排水量Q2和滲入初期支護的水量Q1的綜合影響，與Q2/Q1成反比。通過現場實測分析，提出的水壓計算方法用于分析巖溶隧道二襯水壓是可行的。

(5) 排水洞排水通暢對二襯水壓影響較大。在運營的過程中，應對排水洞進行定期的檢查和維護，保證其排水通暢。

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