一种限量排水方法及其优化隧道注浆圈厚度的方法与流程

本发明涉及地下工程防排水技术领域，尤其涉及一种限量排水方法及其优化隧道注浆圈厚度的方法。

背景技术：

排水系统在隧道支护体系中起着主导作用，好的排水系统可以减少外部地下水作用在隧道衬砌上的压力大小。然而，对于依赖地下水生态系统的干旱或半干旱地区而言，由于隧道开挖而导致地下水的过量排出，会对该地区的水文地质环境造成一定的负面影响，甚至会导致地下水环境的破坏与地表植被缺少死亡。

目前的隧道排水系统设计，当地下水位到隧道顶的液压头小于50m时，常采用全封堵技术，使隧道成为完全封闭的防水系统。这种方法通常用于浅层隧道开挖中，例如市区的地铁隧道。在这种情况下，不需要从隧道中排出地下水，因为通常情况下钢筋混凝土衬砌可以承受50m的静水压力。但是对于静态水头高度大于50m的山区，全封堵技术难以实施，过高的外部水压导致衬砌开裂。隧道衬砌一旦开裂，其维修费用非常昂贵。因此，需要安装排水系统以防止在隧道衬砌上积水。工程中常采用在初期支护背后铺设环向、纵向排水盲管、土工布和eva防水板的施工方法来收集地下水，然后横向排水盲管通过中央排水沟将地下水排出隧道外。如图1是隧道防排水系统横剖面图，图2是隧道排水管布置图。

在隧道的防排水系统设计中，流入隧道中的水量主要取决于注浆圈的厚度和渗透率。但是，正如已经提到的，过多的水流入隧道会对地下水环境产生灾难性的影响，特别是在缺水地区。为了减小隧道开挖对地下水环境的影响，现阶段在隧道设计中主要是通过增加注浆圈的厚度来解决这个问题。目前的隧道施工设计认为横向排水盲管出水口处的水压为零，注浆圈的渗透率主要由注浆材料决定一般为定值，常采用增加注浆圈厚度的方法来减少地下水的涌入。增加注浆圈厚度虽然在一定程度上能够减少流入隧道内的水量，但这种做法会造成注浆成本过高，降低施工速度。

此外，现有的理论分析方法均假定外部的水能够渗透到隧道衬砌内部中。但是，实际上，由于使用了eva防水板，外部的水无法直接通过二次衬砌渗入隧道。而是由排水管引导水通过隧道衬砌流入隧道，而不是渗透衬砌。因此，需要一种新的更符合工程实际的理论分析方法。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种限量排水方法及其优化隧道注浆圈厚度的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种限量排水方法，包括如下步骤：

s1：在隧道的横向排水盲管出水口处安装水压调节阀，以控制横向排水管出水口处的水压p1，即作用在隧道二次衬砌上的外部、初期支护内边界处水压p1；

s2：根据隧道二次衬砌外围，即初级支护内侧的承载能力，采用水压调节阀调节p1，使p1在初期支护内侧承载能力的范围内，尽可能地减少隧道涌水量。

本发明还提出：利用上述限量排水方法优化隧道注浆圈厚度的方法，包括如下步骤：

步骤1：假设各围岩是均质且各向同性的，均匀的水压作用在围岩的外边界上，在稳态的条件下，推导初期支护区域、注浆圈区域和围岩含水层区域的孔隙水压力变化的表达式；

步骤1.1：在稳态的条件下，渗透压pw的相容方程为：

δ²pw＝0.(1)

在隧道轴线方向为z轴方向的柱坐标系下，其表达形式为：

其中，由于作用在圆柱状围岩外边界上的初始水压pi比重力对水的影响大得多，因此合理地忽略洞周范围内重力引起的水压力差；

步骤1.2：在平面应变条件下，横截面垂直于z轴方向，因此简化等式(2)为：

步骤1.3：根据微分方程(3)的一般解，推导出以下形式的渗透压的表达式：

pw＝c1+c2lnr(4)

其中，c1和c2为积分常数，对于不同的介质，如：围岩含水层、注浆圈和初期支护具有不同的值；

步骤1.4：在初期支护的内边界处，即r＝r1时，水压等于p1，得到：

p1＝c1+c2lnr1.(5)

其中，r1为初期支护内半径；p1为二次衬砌与初期支护交界处水压；

步骤1.5：在初期支护和注浆圈之间的边界处，即r＝r2时，得到：

p2＝c1+c2lnr2.(6)

其中，r2为注浆圈内半径；p2为初期支护与注浆圈交界处水压；

步骤1.6：根据步骤1.4和步骤1.5推导出的积分常数表达式，则：

步骤1.7：把公式(7)和(8)代入公式(4)中，得出初期支护区域孔隙水压力变化的表达式：

其中：r1≤r≤r2；

同理，得到注浆圈区域的孔隙水压力变化的表达式：

其中，r2≤r≤r3，r3为注浆圈外半径；p3为注浆圈与围岩含水层交界处水压；

同理，得到围岩含水层区域中的孔隙水压力变化的表达式：

其中，r3≤r≤r，r为围岩含水层外半径；pi为初始水压。

步骤2：结合达西定律，得到初期支护外边界处、浆圈内边界处、注浆圈外边界处和围岩内边界处的流速；

步骤2.1：根据达西定律知道：

其中，h为水头高度，kc为水力传导系数或渗滤系数；

步骤2.2：当r＝r2时，得到初期支护外边界处和注浆圈内边界处的流速分别为：

其中，为初期支护外边界处的流速；为注浆圈内边界处的流速；

步骤2.4：当r＝r3时，得到注浆圈外边界处和围岩内边界处的流速分别为：

其中，k1、k2和k3分别是初期支护、注浆圈和围岩含水层的渗透系数；为注浆圈外边界处流速；为围岩内边界处的流速。

步骤3：根据多孔介质渗流原理，喷射混凝土和注浆圈之间的边界处的水流速度相同、注浆圈和围岩之间的边界处的流速相同的原理，从而推导出初期支护区域的流速与初期支护渗透系数、注浆圈渗透系数、围岩含水层渗透系数、围岩含水层外半径、初始水压、初期支护内半径、注浆圈内半径、注浆圈外半径和初期支护的内边界处水压p1之间的关系；

步骤3.1：喷射混凝土和注浆圈之间的边界处的水流速度相同、注浆圈和围岩之间的边界处的流速相同的原理：

步骤3.2：对方程(17)和方程(18)进行求解，得到初期支护外边界水压为：

p2＝{[k1k2ln(r/r3)+k1k3ln(r3/r2)]p1+k2k3ln(r2/r1)pi}/a(19)

同理，注浆圈外边界处水压：

p3＝{[k1k3ln(r3/r2)+k2k3ln(r2/r1)]pi+k1k2ln(r/r3)p1}/a(20)

其中：

步骤3.3：把公式(19)代入公式(9)和(13)中，得到初期支护的流速：

其中，r1≤r≤r2；

步骤3.4：通过初期支护的水流流速和圆形开口处r＝r1的周长的乘积求得隧道的涌水量：

其中，q为隧道的涌水量。

步骤4：给定隧道的涌水量，在初期支护渗透系数、注浆圈渗透系数、围岩含水层渗透系数、围岩含水层外半径、初始水压、初期支护内半径、注浆圈内半径一定的情况下，根据初期支护的内边界处水压p1的承受能力，设计注浆圈外半径的大小，实现隧道注浆圈厚度的优化。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)本发明通过在横向排水盲管出水口位置安装压力阀控制水压，从而控制隧道的排水量，减小对地下水生态系统的负面影响。对于缺水的干旱或半干旱地区地下工程防排水支护体系，本技术方案尤其重要。

(2)本发明提供的一种限量排水方法及其优化隧道注浆圈厚度的方法，相比于现有的假定外部的水能够渗透到衬砌内部中，并且横向排水盲管出水口处水压p1＝0时的隧道防排水理论计算公式，本发明提供了更符合现场实际情况的水压、流速和排水量理论计算公式。

(3)根据本发明提供的限量排水理论计算公式，可以优化隧道支护系统各组件的设计参数，相比目前的施工方法可大大减小注浆圈的厚度，降低注浆成本、提高施工速度。

附图说明

图1为本发明隧道防排水系统横剖面图；

图2为本发明隧道排水管布置图；

图3为本发明隧道限量排水系统横剖面图；

图4为本发明第3实施例中隧道防排水系统数值模拟模型图；

图5为本发明第3实施例中隧道防排水系统数值模拟模型横剖面图。

其中：1——横向排水盲管；2——中央排水管；3——排水沟；4——环向排水管；5——纵向排水管；6——围岩含水层；7——注浆圈；8——初期支护；9——土工布和eva防水板；10——二次衬砌；11——压力阀；r1——初期支护内半径；r2——注浆圈内半径；r3——注浆圈外半径；r——围岩含水层外半径；k1——初期支护渗透系数；k2——注浆圈渗透系数；k3——围岩渗透系数；p1——横向排水盲管出水口水压(二次衬砌与初期支护交界处水压)；p2——初期支护与注浆圈交界处水压；p3——注浆圈与围岩含水层交界处水压；pi——初始水压。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

由实际工程经验和相关研究可知，注浆圈的渗透系数和厚度对隧道的涌水量起主要影响作用，而注浆圈的浆液确定后其渗透系数也就基本确定，所以在设计中主要通过增加注浆圈的厚度从而控制隧道的涌水量。

实施例1：

假设已知该隧道支护体系尺寸和渗透系数如表1所示。则对于未施工的隧道，如图3所示，可以先通过发明内容中的步骤1-3中公式(23)进行隧道注浆圈厚度的计算，从而优化注浆圈的注浆厚度，具体实施步骤如下：

表1实施例1隧道尺寸和渗透系数

步骤1：某隧道工程，若其涌水量q控制在3m³/d以内，则对当地的地下水生态系统影响较小。首先采用传统的横向排水盲管出水口处水压p1＝0时的隧道防排水系统。

步骤2：将q＝3m³/d、p1＝0kpa和上述表1中该隧道的渗透系数代入发明内容中步骤1-3公式(23)，可得到注浆圈外半径r3：

求得注浆圈外半径：r3＝27m。即此时最小需要l1＝r3-r2＝19.9m的注浆圈厚度，才能满足涌水量q≤3m³/d的要求。

步骤3：设置二次衬砌外围(即初期支护内侧)的承压界限p1为480kpa，若衬砌外水压大于480kpa时，则二次衬砌可能发生变形和破坏；采用压力阀调节p1可以保证二次衬砌水压p1≤480kpa，现取p1＝480kpa。

步骤4：将q＝3m³/d、p1＝480kpa和上述表1中该隧道的渗透系数代入发明内容中步骤1-3公式(23)，可得到注浆圈外半径r3＝15.24m，即注浆圈厚度为：l2＝r3-r2＝8.14m。

对比步骤2和步骤4计算求得的注浆圈厚度。在初期支护、注浆圈、围岩含水层渗透系数和初期支护厚度、水头高度等参数确定的情况下，若采用传统的隧道防排水系统(即：p1＝0)，想要隧道涌水量满足q≤3m³/d，则需要注浆圈的厚度达到l1＝19.9m；而采用限量排水系统(即：p1＝480kpa)，注浆圈厚度仅需l2＝8.14m即可满足要求。不足传统注浆圈设计厚度一半，可以大大降低注浆成本、提高施工速度。

实施例2：

下面以和顺至邢台铁路项目中的前营隧道为例，对本发明加以详细说明。前营隧道是和顺至邢台铁路项目的一部分，位于我国北方的陕西省左权县与河北省邢台市交界处。该隧道长11695m，最大埋深615m，最大涌水量达到72850m³/(d·m)。为了验证本发明一种限量排水方法在控制涌水方面的效果，我们在d2k34+500和d2k43+450桩号之间的隧道做了现场试验，与传统的隧道排水系统作对比。该隧道支护体系尺寸和渗透系数如表2所示，具体实施步骤如下：

表2前营隧道尺寸和渗透系数

步骤1：在d2k34+500和d2k43+450桩号之间的隧道，遇到了高水平的地下水和泥盆纪砂岩和砾岩组成的地层。在开挖过程中，测量初始水头pi＝1098kpa，测得的最大水流量为64440m³/(d·m)，

步骤2：在初期支护完成后，在隧道侧壁上钻孔，并插入压力表以测量初期支护外边界处的孔隙水压力p2。然后，安装土工织物和排水管，并在上面安装eva防水板。最后，根据当前的设计规范(cen，2004)，浇筑混凝土进行二次衬砌。然后将压力阀安装在横向排水盲管的出水口。

步骤3：在步骤2完成后，即压力表安装的初始阶段，测得的p2值很低，但一直稳定增长。此时设置压力阀p1＝0，隧道防排水系统处于全排状态。大约一个月后，尤其是在完成二次衬砌后，p2值变得相对稳定。根据发明内容中的步骤1-3公式(19)，当p1＝0时，p2的计算值为176.8kpa。这与我们在2018年7月3日的现场监测结果相当，现场监测的p2平均监测值为196.4kpa。

步骤4：随后使用压力阀，将横向排水盲管出水口处水压p1设置为500kpa。p2的平均监测值急剧上升，在2018年7月31日，测得p2＝609.1kpa。将p1＝500kpa代入发明内容中的步骤1-3公式(19)中，得到的分析值p2＝596.3kpa。理论值与实际监测值非常吻合。

在安装压力阀将水压p1设置为500kpa期间，我们还使用螺旋桨式电流表在排水沟中测量了隧道每天的涌水量。获得在这40天监视期内涌水量的结果。在此期间隧道涌水量q的平均值等于1.11m³/(d·m)，涌水量足够低，能够很好的满足保护当地地下水生态环境的要求。

实施例3：

为了验证本技术方案理论公式的正确性和隧道防排水的有效性，我们采用有限元方法(fem)进行了数值模拟，对比了传统的隧道防排水系统和本技术方案在相同的渗透参数下的隧道涌水量q的大小。数值模拟计算中模型尺寸和渗透系数取实施例2中表2，即前营隧道尺寸和渗透系数。具体实施步骤如下：

步骤1：采用有限元分析软件ansys，建立隧道长度为1m的圆形隧道计算模型，单元类型采用solid70，单元数量为97920。具体的数值模拟计算网格如图4、图5所示。

步骤2：使用压力阀将横向排水盲管出水口处的水压p1设置为0时，即模拟隧道未安装压力阀处于全排状态时的工况，经ansys软件计算，此时隧道的涌水量为1.92m³/(d·m)。同样，将上述前营隧道各渗透系数和p1＝0代入发明内容中步骤1-3公式(23)，求得此时隧道的涌水量为：q＝1.92m³/(d·m)与数值模拟计算值一致。

步骤3：当使用压力阀将横向排水盲管出水口处的水压p1设置为500kpa时，重复步骤1数值模拟计算过程，此时隧道的涌水量为1.04m³/(d·m)。同样将上述前营隧道支护体系渗透系数和p1＝500kpa代入发明内容中步骤1-3公式(23)，求得此时隧道的涌水量与数值模拟计算结果相同，同样为：q＝1.04m³/(d·m)。

步骤4：取横向排水盲管出水口处的水压p1＝500kpa时，计算求得的隧道涌水量q＝1.04m³/(d·m)和相应的渗透系数值，代入发明内容中步骤1-3公式(23)。可以求得在p1＝0kpa时，此时若想将隧道涌水量q控制在1.04m³/(d·m)以内，则至少需要注浆圈的厚度为：l1＝r3-r2＝13.84m。

步骤5：同样若想将隧道涌水量q控制在1.04m³/(d·m)以内，采用本技术方案的防排水系统，重复步骤3计算过程可得注浆圈的厚度仅需要：l1＝r3-r2＝5.02m。

对比本实施例步骤2和步骤3，在相同的渗透系数条件下分别通过数值模拟和理论公式计算，求得的隧道涌水量是一致的，从而说明本发明的理论公式的正确性。此外，在相同的隧道支护和渗透系数条件下，采用本技术方案的隧道涌水量仅是传统隧道防排水系统的涌水量的0.5倍左右。说明可以很好的保护当地地下水生态环境。

对比本实施例步骤4和步骤5，在相同的渗透系数条件下，若想将隧道涌水量q控制在1.04m³/(d·m)以内，采用传统的隧道排水系统至少需要注浆圈的厚度为：l1＝r3-r2＝13.84m，而采用本技术方案注浆圈的厚度仅需要：l1＝r3-r2＝5.02m。不足传统的隧道排水系统注浆圈厚度的一半。所以通过本技术方案提供的隧道防排水系统可以大大降低注浆成本，加快施工进度，保护地下水环境。