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高压富水软弱围岩隧道防排水技术改进的原因与影响
摘要：山岭隧道采用半包防水设计时，常常出现排水不畅、基底承载力下降、不均匀沉降、翻浆冒泥等病害。因此以某重载铁路隧道为例，对比了新旧防排水设计方案，并通过软件模拟分析，进一步验证了改进方案切实可行，为类似工程项目的设计和施工提供了参考和借鉴。
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目前，铁路隧道通常采用复合式衬砌结构形式，初期支护和二衬之间设全包或半包防水隔离层，防水隔离层外侧布置隧道衬砌外排水系统，隧道内另有洞内排水系统，三者共同组成了隧道的防排水系统[1]。由于受到排水盲管敷设位置的限制，纵向盲管通常位于边墙基础背后上部，高于隧底，导致隧底以下无直接排水通道。当基底下为软弱地层或不良地质时，铁路运营期间易发生病害，存在安全隐患，因此有必要对现行常规基底防排水方式进行优化，以免出现问题再返工维修，造成经济损失甚至是安全事故。
1、原防排水方案
1.1 工程概况
某双洞单线重载铁路隧道洞身穿越长约4km的第3系弱胶结地层，地层富含高承压水，承压水水头高出隧道底板最高达180m。该地层岩性主要为胶结程度低的砾岩、半成岩的泥岩及砂质泥岩。其中，砾岩胶结成分主要是泥质胶结，无水或不扰动情况下一般可以自稳，遇水易软化，岩芯呈散体状，强度低，渗透系数为0.1～0.3m/d；泥岩均为半成岩，具有一定的遇水膨胀性，部分段落含砂和砾石稍多，为半成岩砂质泥岩，或砂质泥岩与砾岩互层，有一定的渗透性，为弱—中等富水。
1.2 防排水设计方案
该工程原设计方案按常规的铁路隧道防排水理念设计[1]，采取半包防水，拱墙范围初期支护和二衬之间设350g/m2的无纺布+EVA防水板，防水系统外纵向间距6m布置覫50mm环向透水盲管，墙脚处设置覫90mm纵向排水盲管，每间隔12m弯入隧道侧沟，仰拱环向施工缝处设置1道中埋式止水带+1道背贴式止水带。
2、新防排水方案
2.1 排水效果模拟分析
采用Midas-GTS数值分析软件，考虑防排水材料的影响，对排水系统的排水效果进行模拟，并从泄水孔间距、环向盲管间距等方面[2,3,4,5,6]进行分析，以验证排水系统设计参数的合理性。半包防水时，盲管间距分别为3和12m时的拱墙衬砌外水压分布情况见图1。
由图1可知：拱墙衬砌外水压分布总的趋势是靠近两端盲管处水压最小，距离盲管越远，水压越大；当盲管纵向间距较大时，2排环向盲管中间位置的拱顶水压最大，且水压从拱顶开始向边墙下逐渐减小；当盲管间距缩小时，最大水压开始从拱顶向拱腰至拱脚转移。
2.1.1 泄水孔纵向间距的影响
以环向盲管间距6和8m为例，纵向泄水孔间距分别取2、4、8m和2、3、6m进行分析。泄水孔纵向间距与衬砌外水压关系见图2。
由图2可知：泄水孔纵向间距对边墙脚处的水压影响最大，对拱顶和拱腰水压影响不明显；环向盲管间距6m时，泄水孔纵向间距从6m加密至2m，墙脚处水压减小约80%，而拱顶和拱腰处水压随泄水孔间距变化不明显，变化幅度不到10%。
2.1.2 环向排水盲管间距的影响
环向排水盲管间距与衬砌外水压关系见图3。
由图3可知：
1）环向盲管间距对衬砌水压影响较明显。其中，盲管间距12m时，拱顶最大水压270kPa；盲管间距6m时，拱顶最大水压100kPa；盲管间距3m时，拱顶水压降至10kPa。
2）环向盲管间距较大时，拱顶水压最大，大于拱腰最大水压；当盲管间距小于8m时，拱腰最大水压大于拱顶最大水压，主要是盲管纵向间距小于盲管环向高度，即纵向上的排水效果优于环向上的排水效果。
3）环向盲管间距3m时，最大水压转移至拱脚处，约33kPa，大于拱顶（10kPa）及拱腰（25kPa）的最大水压。
从上述分析可以看出，要想将拱墙衬砌外水压降至100kPa以下，又不额外考虑水压对结构的影响，此时环向盲管间距不应大于6m；考虑到盲管可能发生堵塞等情况，盲管间距应在间隔6m设置1道的基础上进行加密。
2.1.3 仰拱排水效果分析
Midas-GTS数值分析软件模拟的仰拱无排水系统衬砌水压分布见图4。
由图4可知：采用半包防水形式，衬砌下部仰拱范围无直接的排水系统，在不考虑施工缝漏水、仰拱裂缝等条件下，仰拱承受水压较大，最大约1.4MPa，并非常规认为的γh（其中，γ为水的重度，kN/m3;h为排水口至仰拱底部的高差，m）。分析其原因，主要是由于环纵向盲管以及泄水孔间在纵向上是间隔一定距离布置的，并非通长连续设置，排水能力有限，而隧道周围水头高、水量大，仰拱部位无直接的透水层，衬砌透水性较差，易积聚水压，因此建议在仰拱部位也设置透水层，提供排水通道，以疏解其水压。
2.2 基底防排水系统改进方案
2.2.1 改进方案思路
在公路、双线铁路以及寒冷地区隧道中，常进行深埋中心水沟[7,8]设计，即在仰拱中部设计深埋水沟。对单线铁路，特别是重载铁路来说，其适应性较差，如果也在仰拱中部下方设置中心水沟的话，将大大削弱道床的整体性，对仰拱结构受力也不利，因此，应加以改进。
为了解决隧道基底富水的问题，笔者提出了加强基底防排水和增加泄压通道[9]的设计理念，具体方案如下：
1）防排水系统设计
在隧道两侧水沟下方衬砌外设置深埋排水盲沟，盲沟内回填碎石作为滤水层，碎石层内布置纵向排水盲管，隧道基底再敷设1层无纺布+防水板。两侧纵向排水盲沟间每间隔一定距离设置1道横向排水盲管，横向排水盲管伸入两侧纵向盲沟，形成网格状的环纵向排水盲管（沟）组合排水系统。隧底加强排水系统剖面见图5。
2）泄压系统设计
沿两侧水沟纵向间隔一定距离打设降压井，井身穿过隧道水沟底部二衬和初支结构，深入围岩内一定深度，井内埋设外裹无纺布的钢花管，管口高出水沟内过水断面，花管与水沟底面间的空隙用密封材料封堵。
3）防水分区设计
上述2个系统初步解决了富水段基底排水通道和泄压出路的问题，但对于整个隧道而言，富水段仅是局部。由于隧道沿纵向有坡度，地下水会沿隧道纵坡流向低端，因此实际设计中还应考虑富水段上述2套系统与普通段的衔接。为此，该工程在富水段与贫水段相接的位置设置了防水堵头，其内铺设了膨胀型防水毯。
2.2.2 改进方案试验
根据上述设计理念，在该工程某工区正洞内开展了相关改进方案的试验研究。
1）设计参数
在隧道底部沿两侧水沟下方开挖深65cm、底宽40cm的倒梯形沟槽，槽底标高距离轨面2.76m，槽底回填10cm厚的砂砾层，槽内纵向布置覫200mm的加劲透水盲管，并用碎石类透水材料回填作为过滤层。环向上，每隔3m设置1道横向覫50mm的加劲透水盲管，盲管伸入两侧隧底纵向盲沟。沟槽回填后，顶部采用1.5m宽的EVA防水板覆盖。
2）施工工艺流程
施工工艺流程如下：仰拱初设及深埋水沟开挖→深埋水沟回填砂砾→安装纵向盲管→回填级配碎石→安装横向盲管→深埋水沟顶部覆盖防水板→拱架安装后喷射混凝土。
3）施工要点
(1)仰拱初支开挖成型后，做好底部抽排水工作，严禁隧底长时间被水浸泡；
(2)深埋水沟必须人工开挖，严禁采用挖机，以免造成超挖；
(3)纵向盲管采用两通连接，每段盲管长度可根据现场施工情况调整，但应尽量少设接头并做好现场保护；
(4)横向加劲软式透水盲管两端10cm范围内采用无纺布包裹，横向盲管伸入深埋水沟长度不小于10cm。
4）现场施工情况
虽然从原理上讲，体外排水可以排出隧底以下的水，但在施工期间，隧底的涌水无直接排泄途径，基底仍然存有积水，受扰动后承载力降低。同时，在排水盲管安装完成后，铺设防水板时会存在局部空隙，不能达到防水板紧贴开挖轮廓面的效果，导致基底围岩与初支混凝土之间出现局部空洞，存在隐患。因此，施工现场不得不对基底进行补充注浆加固，以提高基底的承载力。
5）技术优化措施
经调研分析，同时也充分考虑了体外排水系统的缺陷和补救措施后，笔者决定在施工现场将原本的体外排水系统改建在初支仰拱内，于初支、二衬间设置环纵向排水系统。
该工程隧底施工时采取的具体技术优化措施包括：在仰拱初支开挖时，对因水浸泡而导致地基承载力下降的区域，可在二次清底后直接喷射混凝土回填；初支仰拱完成后，在初支仰拱的底部纵向铺设无纺布，其上铺设凹凸排水板，无纺布与排水板之间铺设环纵向盲管，盲管均外裹无纺布；纵向贯通初支仰拱的隧道中线位置，并排铺设3根覫100mmHDPE双壁打孔波纹管，同时沿隧道纵向每隔3m设置1道覫50mm环向加劲软式透水盲管，环向盲管直接引入隧道水沟，其上采用HDPE凸壳型排水板[10]（宽500mm，厚1mm，凸壳高度10mm）覆盖，排水板两侧以射钉固定，最后在纵向排水管上覆盖宽1.0m的EVA防水板。仰拱排水系统剖面见图6。
泄压系统仍维持改进方案的设计，即后期根据运营情况，必要时沿隧道纵向排水沟打设覫50mm泄水降压孔，孔间距5m，孔深入沟槽以下5m。水沟底降压孔口处安设单向压力阀门，基底压力水升高至沟底时压力阀自动顶开，水位下降时压力阀自动关闭。补充泄压剖面见图7。
6）现场施工参数及效果模拟
结合排水效果的模拟情况，为保证排水通畅，对拱墙环向透水管进行加密，管径覫50mm，每隔3m设置1道；在隧底仰拱初支与二衬之间增设独立排水系统，初支仰拱内环向每隔3m设置1道覫50mmHPDE横向透水盲管，直接引入隧道水沟，并以0.5m宽排水板覆盖；纵向上，沿隧道中线位置在初支仰拱上铺设3根覫100mm的排水管，以防水板覆盖。环、纵向盲管间采用三通接头连接。仰拱加排水系统后水压分布模拟及衬砌结构安全分析见图8。
从以上模拟结果看，在仰拱下部增设排水板带及排水盲管后，提供了直接的排水通道，可以有效疏解仰拱下部的水压，其最大水压由1.4MPa降至0.78MPa，拱顶最大水压11kPa，拱墙最大水压26kPa，边墙脚最大水压35kPa，均较无仰拱排水系统时稍有增加。将衬砌分布水压代入衬砌结构计算，结果显示，仰拱结构承受弯矩较大，仰拱结构跨中最小安全系数约2.45，满足结构承载的要求。
3、结论
1）采用半包式防水系统时，在环向上，仰拱以下无直接的排水通道，地下水易积聚形成水压。对高水压隧道，建议仰拱以下也要设置环向排水系统，且为避免环向局部堵塞引起水压积聚，建议在隧底形成环向、纵向网格状排水系统，以保证排水通畅。
2）环向盲管间距对拱墙衬砌周边水压分布影响最大，随着盲管间距的减小，最大水压从拱顶逐渐向拱腰至拱脚转移。
3）墙脚泄水孔间距大小主要影响拱脚附近的水压，对拱顶和拱腰处水压影响不明显。
4）工程实例显示，要将拱墙衬砌外最大水压降至100kPa以下，环向盲管间距应加密，每隔3m设置1道，泄水孔间距则按3m布置；为减小仰拱底部水压积聚的不利影响，在仰拱底部初支仰拱上，纵向每隔3m设置1道覫50mm环向透水盲管，并在其上敷设0.5m宽的排水板带，纵向上沿隧道中线布置3根覫100mm排水管，环纵向盲管间通过三通接头连接，形成网格状环纵向排水系统。
参考文献：
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期刊名称：中国铁路
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2021-02-08
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