富水砂卵石地层盾构衬砌水压力计算方法

吴建军++聂华

摘 要：针对隧道衬砌结构水荷载问题，通过理论分析、模型试验研究作用在富水砂卵石地层盾构衬砌的外水荷载大小。结果表明：（1）全封堵情况下，衬砌背后最终水压为初始水头水压，水荷载不宜折减；（2）在全封闭时，注浆圈不能起承载圈作用；在排水时，注浆圈可起承载圈作用；注浆层承受水压的大小与注浆圈渗透系、排水量等有关。

关键词：砂卵石地层；盾构衬砌；水压力；注浆圈

中图分类号：O319.56 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）24-0105-02

1 引言

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，当围岩中砂卵石越多、粒径越大时，再加上地下水的作用，砂卵石地层盾构衬砌受力更为复杂[4]。地下水问题也因此成为困扰国内外砂卵石地层盾构隧道施工与设计的主要难题之一。在城市地铁地下水问题方面，国内对地铁管片衬砌结构的水荷载计算问题的研究文献比较少见，尤其是富水砂卵石地层盾构衬砌水压力计算问题，这主要是因为以往大部分铁路隧道、城市地铁的设计规范对地下水采取“以排为主”设计原则，而对地下水的处理是往往是通过对围岩降级来考虑的[1、2、3]。

城市地铁在富水砂卵石地层施工地下水环境保护成都地铁隧道设计面临的新课题，存在如下疑问：

（1）对于全堵方式，应不应该考虑折减系数；（2）采用注浆加固圈后，能否减小作用在衬砌上的水压力；（3）对采取排导方式，衬砌上是否可以完全不考虑水压力。

2 地下水渗流计算模型

富水砂卵石地层盾构衬砌水压力计算主要分为：（1）在管片衬砌周围地层进行注浆防水；（2）在管片衬砌周围地层没有进行注浆防水。

2.1 管片衬砌周围地层存在注浆圈

当隧道洞周围岩节理裂隙分布比较均一，裂隙间距大小远远小于隧道断面尺寸，且隧道地下水水位大小远远大于隧道断面尺寸时，根据广义达西定律和轴对称原理，当隧道控制排水流量为Q时，根据隧道围岩地下水渗流模型推导出水荷载作用规律理论公式。同时考虑如下假设因素：

（1）可以假定隧道围岩（裂隙岩体与注浆堵水圈）为均匀渗透介质，地下水渗流服从达西定律；（2）渗流断面近似为圆形；（3）盾构衬砌铺设防水板，考虑盾构衬砌结构封闭阻水，水是从防水板后通过盲管排到排水沟；（4）假定排水流量Q从围岩周围均匀渗流而出，。

由广义达西定律：，其中V-流速，K-渗透系数，J-水力梯度，H-水头，L-水流长度。可得到在围岩任意半径r处水头Hsr计算公式（1）。

（1）

式中，Ks-围岩综合渗透系数。

（2）

式中，r3≤r≤r2。

那么，在围岩注浆圈外侧水头为

（3）

在围岩注浆圈中任意半径r处水头Hgr公式推导如下：

其中Kg-围岩注浆圈综合渗透系数，r2≤r≤r1。

在围岩注浆圈内侧水头（即管片衬砌水荷载）

（4）

据此分析得出：

（1）控制排水流量Q=0m3/s时，衬砌结构的外水荷载没有折减；（2）衬砌结构水荷载主要由地下水水头、控制排水流量、围岩综合渗透系数、围岩注浆圈综合渗透系数、注浆圈的厚度、隧道断面尺寸等因素所决定。

2.2 管片衬砌周围地层不存在注浆圈

假设富水砂卵石地层盾构衬砌是渗水的，则盾构衬砌水压力计算公式如下：

（5）

地下水排放流量计算公式如下：

（6）

其中，H-稳定初始地下水水头，kl-衬砌渗透系数，ks-地层渗透系数，r0-圆形衬砌外径，r1-衬砌的内径。

若k1=0，则Q=0m3/s、P=H，表示只要全封堵，无任ks为何值，作用在衬砌上的水压均同初始地下水水头相当。

3 盾构衬砌水压力模型试验

3.1 工程背景

某隧道长约11km，地处属毛坝向斜富水区，该段预测正常涌水量5.5×104m3/d，最大涌水量8.3×104m3/d。根据不同岩层，围岩注浆范围为开挖轮廓线外5～8m，注浆加固圈的综合渗透系数要求渗流流量小于设计控制排放流量。防排水系统是，在初期支护与二次衬砌之间全环铺设防水板，两侧墙脚设置MY30纵向盲管、环向设置MF10排水盲沟，考虑1.0MPa水压力衬砌和防排水系统。

3.2 试验模型设计思路

以典型富水砂卵石地层盾构隧道为模拟对象，研究探索其地下水活动及压力传递规律。

该隧道衬砌结构形式采用有注浆堵水圈的隧道衬砌结构，衬砌结构上水荷载大小主要由地下水水头、控制排水流量Q、围岩综合渗透系数Ks、围岩注浆圈综合渗透系数Kg、注浆圈厚度t、隧道断面尺寸等影响因素所决定。对于具体的盾构隧道，盾构隧道断面尺寸、围岩综合渗透系数、地下水水头、注浆圈的厚度等一定时，该类型隧道衬砌结构水荷载P=β×γ×H，（式中β是折减系数，β主要由Kg、Q决定）。

3.3 试验装置系统

试验装置系统组成如下：

（1）加载设备：水压加载部分、压力罐；（2）材料系统：围岩、注浆堵水圈、防排水、管片衬砌结构；（3）测试系统：精密压力表、钢弦式渗压计、頻率仪、测压管等。

3.4 相似设计

模型试验主要是为了测试隧道支护结构体系的水压和流量。因此，对不注浆围岩和围岩注浆堵水圈的模拟，以它们的渗透系数做为综合指标进行相似模拟。

3.5 试验结果与分析

（1）管片衬砌周围地层全封堵时试验结果与分析。模型试验主要选取如表1所示的粗砂、中砂及中砂与水泥按不同的体积比拌和的水泥砂浆来模拟不同渗透性的介质，取三组渗透系数有代表性的围岩模拟岩体介质，测试如图1所示的衬砌背后水压随排水系统封堵时间的上升曲线。

试验结果表明，选取渗透系数从285×10-4cm/s到1.9×10-4cm/s时的不同介质，从中可以看到，无任何种介质，作用在衬砌结构上的水压力最终均达到原始水头相应的量值，无折减可言，所不同的是衬砌压力形成过程的时间有所不同。

（2）管片衬砌周围地层全排放时试验结果与分析。如图2所示。

为了获取管片衬砌周围地层地下水全排放时试验结果，模型试验选取了9组不同的渗透系统，在排水系统完全开放时，测得衬砌背后的水压、注浆圈背后水压及注浆圈介质情况，以此来绘制如图3所示的相应曲线。

从图3结果可知隧道衬砌结构水荷载折减系数、注浆圈背后水压折减系数均随渗透系数的增加而呈现递减趋势，验证了隧道衬砌结构背后注浆圈能够明显减轻水荷载对盾构衬砌结构内力的影响。此外，不同渗透系数条件下注浆圈背后水压折减系数同流量比之间呈现线性关系。

4 结语

（1）全封堵情况下，只要围岩渗水，不论渗透系数多大，衬砌背后最终水压将初始水头水压，水荷载不宜折减；要满足设计注浆堵水后的总排水量，注浆圈的渗透系数要达到一定小的数量级；（2）在全封闭时，注浆圈不能起承载圈作用；只有在排水时，注浆圈可起承载圈作用；注浆层承受水压的大小与注浆圈渗透系、排水量等有关。

参考文献

[1]张雪金.强透水砂卵石地层盾构管片受力特性研究[D].西南交通大学，2016.

[2]邹育麟.狮子洋水下盾构隧道错缝式拼装管片衬砌结构的原型试验[D].西南交通大学，2010.

[3]周济民，何川，肖明清，宋洪江.狮子洋水下盾构隧道衬砌结构受力的现场测试与计算分析[J].铁道学报，2012，34（7）：115-121.

[4]林志斌，李元海，赵耀强，时林坡.地下水对软土盾构隧道施工的影响规律分析[J].地下空间与工程学报，2012，08（2）：157-163.endprint