山岭隧道防排水方案比选及衬砌受力分析

山岭隧道防排水方案比选及衬砌受力分析

王乐

广州瀚阳工程咨询有限公司

摘要：根据广州地铁21号线长平至金坑区间2号山岭隧道的地质情况，结合传统的防排水原则，设计出了三种防排水技术方案。通过围岩裂隙注浆及初支背后注浆等措施使二次衬砌在合理的水压下工作。根据简化的隧道衬砌的有限元分析模型，计算分析了马蹄型隧道衬砌断面的混凝土强度等级、衬砌厚度与水头高度的关系。进而为防排水方案的经济性比较提供了有力的支撑。

关键词：山岭隧道；防排水；衬砌受力；经济性

1项目背景及地质简介

广州市轨道交通21号线全长61.5km，其中长平至金坑区段共包含1、2号山岭隧道。本文研究依托对象为2号山岭隧道，隧道总长度为2551m，埋深为20.15m～140.15m；该段山岭隧道所穿越的围岩含有花岗岩中风化带、强风化带及微风化带，隧道围岩等级为II～IV。

勘察所揭露的地下水水位埋藏普遍较浅，勘察期间测得各孔稳定水位埋深为0.80～6.39m，平均为3.45m，年变化幅度为2.5～3.0m。

2长金2号山岭隧道防排水方案比选

2.1方案一：全包防水

全包防水方案，全环设置PVC防水板加土工布，防水板与内衬结构之间（拱部）应采用后注浆，在灌注内衬混凝土时，应预埋注浆钢管，必要时进行注浆堵漏。

运营期间不考虑排水，二次衬砌承受全部的外水压力，衬砌厚度需要根据不同水头高度进行分段计算，分段设置。

2.2方案二：全包+半包防水

全包+半包防水方案，根据地质条件和水头高度，将隧道在纵向进行分仓设计，对于水头高度较小，地层渗透系数较大地段采用全包设计；水头较高，地层渗透系数较小地段采用半包设计。根据分析，长金2号隧道进、出洞口段适合采用全包防水，中间Ⅱ级围岩地段适合采用半包防水。

全包防水设置与方案一相同；半包防水，拱墙设置PVC防水板加土工布，仰拱不设置防水层，初期支护与防水板之间每隔10m设置一根环向排水盲管，隧道两边墙脚各设一根纵向排水盲管，纵向每20m设一道横向排水盲管将纵向排水管内水排入洞内边沟。

由于隧道既有全包防水，又有半包防水，为了防止地下水在贯通的隧道中窜流，应在全包防水和半包防水之间进入设置隔离措施：

（1）在分界处设置两道背贴式止水带，并预留可重复使用注浆管；

（2）在分界处，对围岩进行径向注浆，注浆管长3m，注浆宽度为3m，形成止水圈，防止半包段高水压向全包段扩散；

2.3方案三：控制性全包防水

控制性全包防水结合了全包和半包两种方案，既全环设置PVC防水层，又在初期支护与防水板之间设置纵、环、横向排水盲管。控制性排水的核心思想是防排结合，首先充分利用围岩注浆设置第一道防水圈，然后利用初支背后注浆形成第二道防水圈，最后利用全包PVC防水层设置第三道防水圈，对于少量突破初支的水利用排水盲管迅速排走，保证二次衬砌不承受水压力。

该方案即不会造成大量排水，也不会使二衬承受较大水压，但要得到较好的效果，需要采用以下措施：

（1）围岩裂隙注浆：隧道施工过程中对地下水发育地段采取有针对性注浆堵水措施，进行控制性排水。围岩裂隙注浆的成败是控制性排水方案关键。

（2）初期支护防水：初支做完后，应对初支背后空隙进行注浆填充，防止出现空腔，造成局部水压升高，破坏结构安全。

（3）排水盲沟和防水板施工：排水盲管环、纵、横向要安装到位，连接通畅，施工时避免岩土颗粒进入管道，造成盲管堵塞。防水板要全断面设置，即保证地下水对二衬结构的侵蚀，又能保证二衬施工的质量。

3衬砌受力分析

3.1计算模型及计算荷载

本次计算二衬砌选用C35和C40两种等级混凝土，初支衬砌采用C25喷射混凝土进行建模分析，各等级参数详见《铁路隧道设计规范（TB10003-2005）》。使用MIDASCIVIL2012有限元软件进行建模，选取每沿米衬砌进行分析，初支和二衬采用梁单元，初支与二衬之间用仅受压弹簧连接，初支的边界条件使用仅受压土弹簧与地基相连。水压力作用在二次衬砌上，围岩压力70%作用在初支上，30%作用在二衬上。

隧道断面选取拱顶直径为6m的马蹄型进行对比计算分析，马蹄型二衬厚度分别选取300mm、400mm、500mm、600mm、700mm、800mm；衬砌配筋，300mm厚度时仰拱选用8E16，其它厚度时选用10E18。

围岩应力根据《铁路隧道设计规范（TB10003-2005）》第4.2.4条计算：

①二级围岩垂直均布压力q=rh=26.5×1.314=34.82kN/m2。

②根据规范公式计算可知，二级围岩的水平均布压力为零。

③水位根据地质勘察提供山岭段水位线进行选取；局部地勘未提供水位线的，根据相邻水位线综合判断选取。

3.2计算结果

根据对不同厚度在不同水头压力下的内力计算，得出不同水头下衬砌厚度与内力的关系图。

4防排水方案经济性比较

根据矿山法隧道断面设计参数及概算价，可估算出长金2号隧道比选段在全包方案下总造价约为6512.35万元；全包+半包方案下总造价约为5092.87万元；全包控制性排水方案下总造价约为6185.00万元。但由于本研究未考虑排水对环境的影响，在具体选择防排水方案时应结合施工、经济及环境等方面的因素综合考虑。

5结束语

①全包型防排水方案适用于水头较低，围岩渗透性较大的隧道；半包型防排水方案适用于水头较高，围岩渗透性较小的隧道；而对于高水头且围岩渗透性较大时，应先对围岩节理、裂隙进行注浆，以降低围岩渗透性，隧道按排水型设计，降低了衬砌厚度及工程成本并保护环境。

②随着水头的提高，衬砌混凝土将达到压应力设计值而被破坏。而此时的衬砌裂缝则远未达到限值，山岭隧道主要控制受力的是混凝土压应力，隧道设计更应注重断面形式引起的受力变化及衬砌厚度的选取。

参考文献：

[1]袁海清.山岭隧道防排水设计原则与设计方法研究[J].公路工程，2015年02期.

[2]王孝兵.用MIDAS/GTS进行长输管道山岭隧道衬砌结构分析[J].山西建筑，2014（21）.