王 眾

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路及高等級(jí)公路向中西部山嶺地區(qū)發(fā)展，越來(lái)越多的交通隧道修建在一些地質(zhì)條件復(fù)雜的山嶺地區(qū)，而且其中有一大部分是修建在以往被人們認(rèn)為是隧道“禁區(qū)”的復(fù)雜地段修建。這些“禁區(qū)”一般都具有高山富水、巖溶較發(fā)育、高地應(yīng)力、高地?zé)?、斷層破碎帶等方面的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征。一直以來(lái)，地下水的危害是所有在建隧道和運(yùn)營(yíng)隧道都不能忽視的問(wèn)題，為了減少地下水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的危害，保證隧道修建和運(yùn)營(yíng)階段主體結(jié)構(gòu)的安全，我國(guó)山嶺隧道防排水設(shè)計(jì)一般都按照“以排為主”的原則設(shè)計(jì)施工，而忽視了隧道建設(shè)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響。隧道建設(shè)若“以排為主”對(duì)環(huán)境將造成嚴(yán)重影響，不符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，京廣線大瑤山隧道、武隆隧道、襄渝線的中梁山隧道等工程實(shí)踐均表明，若“以排為主”修建隧道，隧道將會(huì)出現(xiàn)不同程度的滲漏病害，隧道滲漏水導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂，道床翻漿冒泥，影響襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和行車(chē)安全，使隧道環(huán)境惡化;而在環(huán)境方面，由于隧道修建進(jìn)行大量排水，造成了隧址區(qū)地表沉降、水土流失、巖溶塌陷、地表井水泉眼干枯、嚴(yán)重的造成生產(chǎn)生活工農(nóng)業(yè)用水缺失、土壤沙化等一系列環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活［1］。因此，在富水地區(qū)修建隧道應(yīng)采取“以堵為主、防排結(jié)合”的控制型防排水原則。

1 控制型防排水體系

控制型隧道防排水原則是在采用圍巖注漿來(lái)降低圍巖裂隙水的出水量，利用包裹在襯砌外側(cè)的防水板以及防水混凝土等堵水技術(shù)，將水堵在隧道外側(cè)，然后通過(guò)在襯砌背后設(shè)置的縱向及環(huán)向盲溝，將聚集在襯砌背后的地下水導(dǎo)入隧道內(nèi)側(cè)排水溝內(nèi)，進(jìn)行適量排放，將作用在襯砌背后的水壓力減少到可以承受的水平。同時(shí)，由于施工中采用了圍巖注漿堵水措施，隧道的排水量也相應(yīng)減少，保持了地下水位的基本穩(wěn)定，避免對(duì)地下水環(huán)境的惡化［2-5］。

控制型防排水體系由圍巖注漿圈、初期支護(hù)、防排水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)四部分組成，如圖1所示。控制型防排水體系各部分的主要功能為:①?lài)鷰r注漿堵水圈:通過(guò)向圍巖注入水泥漿液形成圍巖注漿堵水圈，改變注漿圈內(nèi)巖體的滲透性能，限制圍巖排水量，實(shí)現(xiàn)控制排放目的。并且還能使破碎圍巖得到加固，與初期支護(hù)共同作用保證施工期間的隧道圍巖穩(wěn)定，保證施工安全。②初期支護(hù):穩(wěn)定圍巖，限制圍巖發(fā)生過(guò)大過(guò)快變形，確保開(kāi)挖后洞室穩(wěn)定。③防排水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng):全包式防水板能阻止經(jīng)過(guò)注漿堵水圈的滲透地下水經(jīng)過(guò)襯砌滲入到隧道內(nèi)，同時(shí)又通過(guò)襯砌背后排水盲溝將聚集在襯砌背后的滲漏水排到隧道排水溝內(nèi)，減少地下水對(duì)襯砌的作用，保證結(jié)構(gòu)安全。④抗水壓襯砌:承受?chē)鷰r壓力和襯砌背后水壓力，也能實(shí)現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)的自防水。

2 滲流場(chǎng)數(shù)值分析

2.1 計(jì)算模型的建立及參數(shù)的選取

圖2為關(guān)角隧道典型斷面。采用Midas-GTS進(jìn)行建模，建模時(shí)考慮隧道開(kāi)挖半徑和滲流場(chǎng)的影響，取寬度方向計(jì)算范圍為240 m，即左右線隧道兩側(cè)各取100 m計(jì)算寬度。隧道模型開(kāi)挖最大斷面按半徑5 m的圓形斷面進(jìn)行計(jì)算。在隧道掘進(jìn)方向上，由于每循環(huán)進(jìn)尺為重復(fù)階段，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮后面開(kāi)挖對(duì)前面的影響，取隧道施工循環(huán)進(jìn)尺5 m為計(jì)算長(zhǎng)度。模型示意圖見(jiàn)圖3。

圖1 控制型防排水體系示意

圖2 隧道結(jié)構(gòu)典型斷面(單位:cm)

圖3 計(jì)算模型示意

計(jì)算區(qū)域地質(zhì)鉆孔號(hào)為DSZ-8，其揭示的隧址區(qū)地質(zhì)條件為:上部為第四系地層，下部為石炭系變質(zhì)砂巖，局部為片巖。計(jì)算所用巖土參數(shù)取值參照《關(guān)角隧道初設(shè)工程地質(zhì)勘查報(bào)告》中所提供數(shù)據(jù)，此外還參考《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中各級(jí)圍巖物理力學(xué)指標(biāo)的取值，并參照其他相似性質(zhì)巖土材料的土工試驗(yàn)和巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，具體參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬所用巖土參數(shù)

2.2 滲流邊界設(shè)定

滲流邊界條件設(shè)置為左右兩側(cè)邊界設(shè)置為等水頭邊界，總水頭為240 m，模型底部邊界設(shè)為不透水。隧道開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖輪廓線處設(shè)置為排水邊界，用來(lái)模擬隧道開(kāi)挖排水，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力以及地下水滲流場(chǎng)的影響。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 注漿圈參數(shù)與隧道開(kāi)挖排水量之間的關(guān)系

圖4給出了注漿圈滲透系數(shù)與隧道排水量之間的關(guān)系。圖中n代表注漿圈滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)之比。從圖中可以看出，在不同注漿條件下，隧道排水量都具有隨時(shí)間增加而逐漸減小的趨勢(shì)。隨著注漿圈滲透系數(shù)的減小，地下水滲流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也隨之減少，當(dāng)注漿圈滲透系數(shù)為圍巖滲透系數(shù)1/10時(shí)，地下水滲流場(chǎng)在一年后基本達(dá)到穩(wěn)定，注漿圈滲滲流場(chǎng)在3個(gè)月后基本達(dá)到穩(wěn)定，隧道排水量變化趨于穩(wěn)定。相同注漿層厚度下，隨著注漿圈滲透系數(shù)的減小，隧道排水量明顯減小。當(dāng)注漿圈的滲透系數(shù)與圍巖的滲透系數(shù)之比時(shí)，降低注漿圈滲透系數(shù)對(duì)減小隧道排水量的作用已不再明顯。

圖5給出了注漿圈厚度與隧道排水量之間的關(guān)系。由圖中曲線可以看出，增大注漿圈厚度對(duì)減小隧道排水量有顯著作用，但當(dāng)注漿圈厚度大于7 m時(shí)，增大注漿圈厚度的措施已不能有效減少隧道排水量，因此注漿圈的厚度存在一定的最優(yōu)值，并不是一味增大注漿圈厚度就能很好的控制隧道涌水量，盲目的增大注漿圈厚度是不合理、不經(jīng)濟(jì)的。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)考慮注漿加固的技術(shù)水平合理的確定注漿圈的參數(shù)。

圖4 注漿圈滲透系數(shù)與排水量關(guān)系

圖5 注漿圈厚度與排水量關(guān)系

3.2 注漿圈參數(shù)與地下水位降深之間的關(guān)系

隨著隧道開(kāi)挖地下水排放，隧址區(qū)地下水水位不斷下降。模型不考慮地表降水影響，地下水補(bǔ)給來(lái)源為左右兩側(cè)水頭。采用不同注漿參數(shù)時(shí)，地下水位的降深情況如圖6所示。

從圖6中可以看出:(1)注漿圈的滲透系數(shù)減小，地下水位降深隨之減小，注漿圈滲透系數(shù)為圍巖注漿滲透系數(shù)的1/2時(shí)，地下水水位達(dá)到穩(wěn)定后的降深可達(dá)幾十米，隨著注漿圈滲透系數(shù)的減小，如圖6(d)所示，當(dāng)注漿圈滲透系數(shù)為圍巖滲透系數(shù)的1/100時(shí)，隧道開(kāi)挖過(guò)程中地下水水位的降深在0.7～0.9 m之間，對(duì)環(huán)境影響較小;(2)注漿圈的滲透系數(shù)越小，隧道開(kāi)挖后地下水的滲流場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短。如圖6(a)所示，注漿圈滲透系數(shù)較大時(shí)，隧道開(kāi)挖完十年后的滲流場(chǎng)與達(dá)到穩(wěn)態(tài)的滲流場(chǎng)水位降深相比仍然相差很大。當(dāng)注漿圈滲透系數(shù)減小到圍巖滲透系數(shù)的1/100時(shí)，隧道開(kāi)挖完后地下水位出現(xiàn)下降，但下降的幅度很小，在一年內(nèi)地下水滲流場(chǎng)基本達(dá)到穩(wěn)定，地下水位的降深不再發(fā)生明顯變化，起到了保護(hù)地下水環(huán)境的作用。(3)注漿圈滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)之比減小到1/100后，再減小注漿圈的滲透系數(shù)對(duì)地下水位的降深影響已經(jīng)不再明顯。

4 結(jié)論

(1)注漿圈能明顯減小隧道開(kāi)挖涌水量，隨著注漿圈滲透系數(shù)的減小，隧道開(kāi)挖涌水量越來(lái)越小。此外，注漿圈滲透系數(shù)一定時(shí)，增大注漿圈的厚度也可明顯減小涌水量。當(dāng)注漿圈的滲透系數(shù)與圍巖的滲透系數(shù)之比，注漿圈厚度大于7 m時(shí)，降低注漿圈滲透系數(shù)以及增大注漿圈厚度的措施對(duì)隧道排水量的影響已不再明顯，注漿參數(shù)存在一個(gè)合理值。

圖6 不同滲透系數(shù)比地下水位降深情況

(2)較高的注漿水平有助于減小地下水的排放量，也有助于減小地下水位的降深。當(dāng)注漿圈滲透系數(shù)為圍巖滲透系數(shù)的1/100時(shí)，隧道開(kāi)挖后地下水水位的降低深度在0.7～0.9 m之間，對(duì)環(huán)境影響較小。注漿水平較高時(shí)，地下水位下降隨時(shí)間的變化不大，起到了很好的堵水作用，保護(hù)了地下水環(huán)境。

［1］王石春，陳光宗.隧道水文地質(zhì)環(huán)境變化及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的評(píng)估［J］.世界隧道，1998(5):8-13.

［2］陶偉明.以堵為主，限量排放隧道防排水原則的理論基礎(chǔ)及其工程應(yīng)用［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(9):78-82.

［3］王建宇.隧道圍巖滲流和襯砌水壓力荷載［J］.鐵道建筑技術(shù)，2008(2):1-6.

［4］劉翠容，姚令侃.隧道工程地下水處理與生態(tài)環(huán)境保護(hù)［J］.鐵道建筑，2005(3):24-27.

［5］丁浩，蔣樹(shù)屏.控制排放的隧道防排水技術(shù)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(9):1398-1403.