彭 勛

（中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 工電檢測所，高級工程師，廣西 南寧 530029）

1 引言

在桂、黔、滇等典型的喀斯特地貌省區(qū)下開挖的隧道，常常會不可避免地穿越破碎帶或落水洞等不良地段。雨季時，雨水從裂隙中徑直流下，而該地段下的隧道襯砌則承受了巨大水壓作用，此時隧道容易出現(xiàn)滲漏、開裂等病害。一旦水壓過大，襯砌結(jié)構(gòu)破壞，則會產(chǎn)生巨大的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計，我國有近1/3的鐵路、公路及地鐵隧道存在滲漏水病害［1-2］。工程監(jiān)測在減輕和降低隧道風(fēng)險方面可發(fā)揮巨大作用，監(jiān)測結(jié)果可為工程盡早地提供風(fēng)險預(yù)報、預(yù)測相關(guān)結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展、提示危險情況并及時采取經(jīng)濟措施等［3-5］。因此，滲水嚴(yán)重地段的隧道外環(huán)水壓進(jìn)行實時監(jiān)測預(yù)警，在水壓達(dá)到預(yù)警值時及時排水泄壓是極為重要的。

傳統(tǒng)水壓計埋設(shè)方法是在隧道上部地面鉆孔至隧道襯砌外側(cè)，再埋設(shè)滲壓計進(jìn)行水壓測量，但這種方法僅適用于隧道埋深淺且上方無建筑物的情況［6］。而對于隧道埋深大或上方已有建筑物時，通常采用先鉆孔放置滲壓計，后使用膨潤土或混凝土封堵的方式。但在水壓作用下，膨潤土或混凝土無法做到完全堵水，水會將孔洞中的細(xì)骨料沖出后形成滲水通道，水壓過大時甚至?xí)⒍滤牧贤耆珱_出，無法監(jiān)測襯砌背后真實水壓。因此，在埋深大的既有滲水隧道外環(huán)埋設(shè)滲壓計，尚無合適的方法。

2 隧道情況分析

2.1 隧道概況

益湛線卿家巷隧道位于湖南省永州市，為山嶺隧道，隧道中心里程為K393+542，全長2046m，襯砌結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌，于2009年建成通車。目前隧道內(nèi)已出現(xiàn)多處滲水情況（如圖1），在滲水部位打泄壓孔降壓多日水壓依舊較大（如圖2），因此監(jiān)測該部位水壓無法按照常規(guī)方法埋設(shè)滲壓計，同時需要解決封堵防漏難題。

圖1 隧道邊墻滲水

圖2 現(xiàn)場泄水照片

卿家巷隧道所在地貌為低山丘陵，地層主要由上覆第四系全新統(tǒng)坡洪積粉質(zhì)黏土/坡積粉質(zhì)黏土夾角礫土或坡殘積粉質(zhì)黏土夾黏土和下伏基巖組成。在施工過程中發(fā)現(xiàn)該隧道穿越兩條破碎帶、一處落水洞和一條溝谷。因此，在雨季時雨水及地下水沿裂隙滲流而下，直接作用于隧道襯砌結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致隧道在靠近上述不良圍巖處滲水嚴(yán)重。此外，隧道還存在多處結(jié)構(gòu)病害，如拱頂空洞、襯砌開裂、防水板切割二襯等，隧道病害進(jìn)一步發(fā)展將危及行車安全。

2.2 滲水難題

為確保鐵路運輸安全，目前隧道內(nèi)多處滲漏水部位已打泄壓孔，防止水壓過大引起隧道結(jié)構(gòu)性破壞。但由于無法得知襯砌背后真實水壓，盲目打孔不僅會破壞襯砌結(jié)構(gòu)完整性，持續(xù)泄水也會產(chǎn)生許多嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境問題，如地面沉降變形、地表塌陷、林木枯死等。

因此，在襯砌外環(huán)安裝滲壓計，對隧道襯砌外水壓進(jìn)行實時監(jiān)測預(yù)警，根據(jù)水壓監(jiān)測值采取相應(yīng)防控措施是保障隧道安全的重要一環(huán)。本裝置設(shè)計用于隧道內(nèi)實時監(jiān)測水壓的同時，也可充當(dāng)泄壓孔的使用，可避免過度打孔對隧道襯砌產(chǎn)生不利影響。

3 滲壓計埋設(shè)裝置及應(yīng)用研究

3.1 結(jié)構(gòu)組成

為解決大埋深、大水壓的既有隧道水壓監(jiān)測難題，對卿家巷隧道水壓監(jiān)測預(yù)警研究，提出了一種新型滲壓計埋設(shè)裝置。該裝置包括堵水空腔管、滲壓計套管、封蓋三部分，如圖3、圖4所示。

圖3 滲壓計埋設(shè)裝置示意圖

圖4 滲壓計埋設(shè)裝置三維圖

3.1.1 堵水空腔管 堵水空腔管為內(nèi)部空心管，外部設(shè)置雙層開口膠筒，膠筒在外力作用下可產(chǎn)生一定形變，將堵水空腔管打入直徑略小于管體直徑的鉆孔中，膠筒即可堵住空腔管外側(cè)的水，當(dāng)水壓過大時，膠筒與管壁中間被水?dāng)D壓撐開，而膠筒與襯砌孔壁貼合更緊密，從而達(dá)到遇水自鎖的效果。鉆孔直徑越是小于堵水空腔管外側(cè)膠筒直徑，止水效果越好。此外，堵水空腔管尾端還設(shè)置有突出圓盤，使用膨脹螺栓將圓盤固定于襯砌內(nèi)表面，以此避免在擰入或擰出封蓋時堵水空腔管發(fā)生轉(zhuǎn)動。

3.1.2 滲壓計套管 滲壓計套管外徑小于空腔管內(nèi)徑，將套管伸入空腔管內(nèi)部即可將滲壓計置于襯砌與圍巖交界面上，使?jié)B壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確；套管前端設(shè)置滲壓計固定筒，固定筒上有許多滲水小孔，孔洞將沙石隔離在外，將水滲透入孔內(nèi)，使得固定筒內(nèi)的滲壓計可以實時監(jiān)測到水壓數(shù)據(jù)，而不被沙石破壞。

3.1.3 封蓋 封蓋底端設(shè)置外螺紋，與堵水空腔管內(nèi)測端部螺紋連接，從而堵住空腔管內(nèi)部滲水；封蓋中間預(yù)留小孔拉出電纜線；頂端突出六角螺母形狀，便于封蓋的擰入擰出。

3.2 應(yīng)用特點

3.2.1 堵水能力強 雙層開口膠筒朝向迎水面，遇水自鎖，在大水壓沖刷作用下也能夠進(jìn)行安裝，同時水壓越大，防滲性能越強。

3.2.2 安裝簡便 與傳統(tǒng)滲壓計埋設(shè)方式相比，無需填料、注漿堵孔，只需將堵水空腔管打入孔中即可使用。

3.2.3 可多次開啟 傳統(tǒng)方式埋設(shè)滲壓計后，使用膨潤土或混凝土堵住孔口，后期滲壓計損壞失效后則無法取出，形成“壞孔”；本裝置則可多次開啟，及時置換損壞的滲壓計。

3.2.4 可卸壓 當(dāng)監(jiān)測水壓達(dá)到預(yù)警值后，可擰開封蓋取出套管及滲壓計，在列車運行天窗期時作為泄壓孔使用，從而避免多次打孔，破壞襯砌結(jié)構(gòu)。

3.3 隧道現(xiàn)場安裝

3.3.1 鉆孔 使用鉆孔設(shè)備在隧道襯砌滲水部位鉆孔至圍巖接觸面，孔洞直徑需小于堵水空腔管外徑幾毫米，水壓越大時，孔洞直徑需設(shè)置的越小。

3.3.2 固定堵水空腔 將孔洞內(nèi)泥沙清理干凈，在孔壁或堵水空腔管的膠筒上涂上油脂，以防破壞膠筒，而后將堵水空腔管打入孔中，再使用膨脹螺栓將堵水空腔管固定于襯砌上。

3.3.3 拉出電纜線 滲壓計放入套管前端的固定筒中，將電纜線從套管中拉出，而后穿過封蓋預(yù)留孔，并使用止水膠填滿電纜線與預(yù)留孔之間的縫隙，防止預(yù)留孔處滲水。

3.3.4 放入滲壓計套管 止水膠凝固后，將滲壓計套管放入堵水空腔管中，再將封蓋擰入空腔管端部，堵住滲水，監(jiān)測襯砌外環(huán)水壓。

3.3.5 封蓋 監(jiān)測水壓數(shù)據(jù)過大時，可將封蓋擰出，取出滲壓計及套管，讓水從空腔管內(nèi)部流出，達(dá)到泄壓效果，泄壓完畢后再將滲壓計及套管放入空腔管內(nèi)，封蓋擰入，繼續(xù)監(jiān)測水壓。最終安裝效果如圖5所示。

圖5 滲壓計在隧道中的安裝

3.4 監(jiān)測系統(tǒng)

將滲壓計埋設(shè)裝置應(yīng)用于卿家巷隧道內(nèi)監(jiān)測隧道水壓，選取K393+150和K393+160兩個滲水嚴(yán)重斷面、取4個點位進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，通過自動化監(jiān)測云平臺進(jìn)行水壓實時預(yù)警，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計如圖6所示。

圖6 水壓監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計圖

其中，滲壓計置于埋設(shè)裝置內(nèi)部，測量水壓數(shù)據(jù)，采集儀將數(shù)據(jù)記錄后通過GPS模塊將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，進(jìn)行實時水壓預(yù)警，當(dāng)監(jiān)測水壓超過預(yù)警值后，在空窗期打開滲壓計埋設(shè)裝置，取出滲壓計，將堵水空腔管作泄壓孔使用，降低隧道外環(huán)水壓，直至水壓降低至安全范圍內(nèi)，再放入滲壓計持續(xù)監(jiān)測隧道外環(huán)水壓，保障隧道運營安全。近期卿家巷隧道水壓監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖7 卿家巷隧道水壓監(jiān)測結(jié)果

3.5 監(jiān)測作用

3.5.1 保障隧道運行安全 通過在隧道襯砌外環(huán)與巖土交界面安裝孔隙水壓計，將傳感器與無線采集儀相連接，通過采集儀發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立水壓實時在線預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)，通過此自動化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)水壓的實時監(jiān)測和預(yù)警，保障隧道運行安全。

3.5.2 阻斷危險 根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，判斷隧道的安全狀況，在水壓達(dá)到預(yù)警值時及時進(jìn)行泄壓措施，遏止危險趨勢，確保隧道內(nèi)的安全。

3.5.3 分析水壓變化 根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，掌握襯砌背后水壓的變化規(guī)律，觀測因降雨、排水等導(dǎo)致的水壓變化；具備長期監(jiān)測并自動存儲功能，可以對隧道襯砌背后水壓的變化規(guī)律進(jìn)行動態(tài)分析。

4 結(jié)論

以卿家巷隧道水壓監(jiān)測預(yù)警項目為研究，研制了新型滲壓計埋設(shè)裝置，并介紹了該裝置的結(jié)構(gòu)組成及在隧道現(xiàn)場中的應(yīng)用，該裝置解決了傳統(tǒng)埋設(shè)方法封堵防漏難題，裝置操作安裝簡單，同時可多次開啟置換，避免出現(xiàn)“壞孔”現(xiàn)象。此外，該裝置還可兼做泄壓孔使用，避免在襯砌上多次打孔，破壞結(jié)構(gòu)，適用于滲漏水嚴(yán)重的公路、鐵路隧道，應(yīng)用場景廣泛，可為眾多既有隧道的運營安全保駕護(hù)航。