降雨过程中隧道衬砌水压力的动态规律研究.pdf

年 月第 期（总）铁 道 工 程 学 报 （）*收稿日期：基金项目：四川省重点研发计划项目（）；中铁十八局集团有限公司科技项目（）*作者简介：郭瑞，年出生，男，工程师。文章编号：（）降雨过程中隧道衬砌水压力的动态规律研究*郭瑞*郑波吴剑王立川孟亮（中铁西南科学研究院有限公司，成都；中铁十八局集团有限公司，天津）摘要：研究目的：持续强降雨往往会使隧址区地下水位在短时间内迅速上升，导致作用在衬砌上的水压力显著增大，而当衬砌水压力达到临界值时，会导致隧底隆起、边墙爆裂、大面积渗漏水等病害现象出现，严重影响隧道运营安全。因此，研究降雨过程中山岭隧道水压力的动态特征及缓解措施，对保障隧道结构安全显得尤为重要。研究结论：（）当围岩渗透系数较大时，降雨强度和降雨持续时间对隧道衬砌水压力的动态变化影响显著，隧址区遭遇持续强降雨时，衬砌承受的水压力可在短时间内快速突变增大，这种突变上升的水压力对结构安全是潜在威胁因素；（）盲管的布设密度、排导系统的畅通性、隧底排导结构及泄水孔等在一定程度上可缓解因强降雨导致衬砌水压的突变；（）当岩溶管道和地表连通性能较好时，地表降雨和隧道洞内泄水量存在一定的对应关系，洞内的泄水量或衬砌所承受的水压力对地表的降雨更为敏感；（）本研究成果可为隧道的防排水设计、施工及运维提供参考和借鉴。关键词：隧道；持续强降雨；水压力；排导措施；泄水量中图分类号：文献标识码：，（，；，）：，：（），（），（），（），：；在雨季，持续的强降雨常常会使隧址区地下水位在短时间内迅速上升，隧道涌水量显著增大。当隧道排导系统排导能力与隧道涌水量不匹配，即隧道涌水量远大于排导能力时，作用在衬砌结构上的水压力会迅速上升，达到水压临界值时，将导致隧道底部结构隆起、大面积衬砌裂损、渗漏水等病害现象，严重影响铁路运营，给雨季铁路运营带来极大安全隐患。目前，针对隧道水害方面的研究主要集中在隧道超前地质预报、施工安全、注浆堵水及防排水等方面，对运营期降雨条件下隧道的水压力动态规律研究较少，且目前隧道衬砌结构设计尚未考虑在短时间内因降雨等形成的突变水压的作用。鉴于此，本文通过建立降雨条件下围岩 排导系统 隧道三者之间的渗流场模型，分析不同降雨量下衬砌水压力的动态变化规律，研究不同排导结构在降雨条件下衬砌水压力的特征。本研究成果可为今后隧道防排水设计和施工提供参考和借鉴。数值模型建立为简化分析，本文采用等效排水面积概念，将三维问题简化为二维平面问题。在二维平面问题中排水孔可等效成一个排水缝，其宽度可由式（）确定，并认为排水缝渗透系数等于无穷大，但为了避免计算结果出现奇异，计算中取排水孔渗透系数 k 。（）式中 平面问题中的排水缝宽；实际工程中排水孔的直径（计算中取 ）；排水孔的纵向间距（计算中取 ）。对于盲管和无纺布组成的透水层厚度进行等效，等效透水层厚度可由式（）表示。（）（）式中 无纺布厚度；盲管直径；纵向盲管根数；衬砌周长；环向盲管间距。依据目前工程中大多数设计资料，本次计算隧道断面选取时速 客专双线标准断面，无纺布厚度 取值，盲管直径 取值，纵向盲管根数 为，衬砌周长 为 ，环向盲管间距 为，代入式（）可得等效透水层厚度 ，排水孔宽度 。考虑隧道涌水量与围岩渗透系数关系密切，特别当围岩渗透系数较大时，地表降雨与洞内地下水流量关系密切。因此，本计算中选取较大的围岩渗透系数 k ，二次衬砌厚度为，泄水孔渗透系数 k ，透水层渗透系数 k ，衬砌渗透系数 k ，泄水孔距离底部边界为，初始地下水位选取为仰拱以下 。模型长宽尺寸分别为 和 。图 为数值计算模型。100100955初始水位（a）模型示意图（b）衬砌拱顶监测点衬砌拱腰监测点透水层泄水孔仰拱监测点图 数值计算模型（单位：）模型渗流边界条件为：第一，模型顶面为不同流量边界，模拟降雨；第二，模型左右两侧为隔水边界；铁 道 工 程 学 报 年 月第三，泄水口和衬砌内边界压力水头设定为；第四，不考虑地表积水情况，即地表降雨量大于入渗量时，地表水会自动径流排走。模型计算流程为：第一，设定初始地下水位，计算初始渗流场；第二，对隧道进行开挖，施加衬砌、等效透水层和泄水孔，设定渗流边界，计算此时的渗流场；第三，设置地表降雨流量边界，设置降雨持续时间，进行水压力的瞬态计算。本次计算主要考虑降雨量和隧道排导参数的影响。降雨对衬砌水压力的影响 降雨强度对衬砌水压力的影响图 为不同降雨强度下衬砌水压力的动态曲线。从图 可看到，降雨，衬砌水压力动态曲线并未达到最大值，当停雨时间持续约 后，此时衬砌水压力数值达到峰值，说明衬砌水压力的增大有一定的滞后性，当隧址区大气降雨停止时，衬砌水压力并未达到最大值，这是由于本模型地层设置为均质围岩，洞内泄水孔和地表降雨的连通性不是很好，地下水的径流需要一定的流通时间。0102030405060050100150200拱顶水压力/k P a时间/h降雨强度 50 mm/d;80 mm/d;160 mm/d 降雨12 h停雨48 h(a)拱顶水压力 0102030405060050100150200停雨48 h降雨12 h拱腰水压力/k P a时间/h(b)拱腰水压力 注:降雨强度 50 mm/d;80 mm/d;160 mm/d 注:时间/h0102030405060050100150200250停雨48 h仰拱水压力/k P a降雨12 h(c)仰拱水压力 降雨强度 50 mm/d;80 mm/d;160 mm/d 注:图 不同降雨强度下衬砌水压力动态曲线由图 还可看出，在降雨持续时间相同的条件下，随着降雨强度的增大，衬砌水压力有增大的趋势，但降雨强度对衬砌水压力的影响并不是伴随降雨强度的增大而增大，而是在降雨强度达到一定的强度后，即地表降雨量大于入渗量时，此时降雨强度的继续增大则对地下水位的影响相对较弱，这主要是由于降雨强度大于入渗强度导致部分雨量在短时间内不会下渗，从而在地表形成径流，而地表入渗量和围岩渗透性密切相关，特别在岩溶区域，地表入渗强度一般相对较大，这也与岩溶区降雨条件下常发生突涌水灾害现象吻合。降雨持续时间对衬砌水压力的影响选取降雨强度为 ，降雨持续时间分别考虑 、，降雨后停雨时间均设置为 。图 为不同降雨持续时间下衬砌水压力的动态曲线。从图 可看到，降雨刚开始阶段，由于地下水位处于仰拱以下位置，衬砌水压力数值为，伴随降雨时间的不断推移，衬砌各特征位置水压力开始骤然上升增大，随着地下水位继续抬升接近地表位置时，水压力增速缓慢并趋于稳定。从衬砌各特征位置水压力大小来看，降雨 ，仰拱的水压力峰值最大，拱顶次之，拱腰最小。此时，由于地下水位的抬升，衬砌承受比较大的突变水压作用，这种突变水压若不能及时解除或缓解时，则比较容易造成隧底隆起、衬砌开裂和局部突涌水等病害现象。当大气降雨停止时，随着停雨的时间推移，水压力逐渐降低，当停雨 时，可看到，水压力基本稳定，由于本模型中没有其余的泄水途径，地下水位最终维持在泄水孔附近，拱顶和拱腰位置则无水压力。同时可看到，水压力完全消散的时间远远大于水压力的增大时间，而水压力的消散时间则和泄水孔的设置以及排导系统的畅通性密切相关。第 期郭 瑞 郑 波 吴 剑等：降雨过程中隧道衬砌水压力的动态规律研究拱顶水压力/k P a拱腰水压力/k P a仰拱水压力/k P a时间/h(b)拱腰水压力 时间/h(c)仰拱水压力 注:024 48 72 96 120144 168 192216 240264288050100150200250300350400时间/h 降雨12 h;降雨1 d;降雨2 d;降雨3 d;降雨5 d注:降雨12 h;降雨1 d;降雨2 d;降雨3 d;降雨5 d注:降雨12 h;降雨1 d;降雨2 d;降雨3 d;降雨5 d(a)拱顶水压力 024 48 72 96 120144 168 192216 240264288050100150200250300350400 024 48 72 96 120144 168 192216 240264288050100150200250300350400 图 不同降雨持续时间下衬砌水压力动态曲线 排导系统对衬砌水压力的动态影响 透水层对衬砌水压力的影响无纺布的渗透系数一般在 之间，因此计算时考虑透水层堵塞和绝对畅通两种极端工况，本次计算等效透水层的渗透系数分别设置：（完全堵塞时与围岩相同）、和 （绝对畅通）。降雨强度为 ，降雨持续时间为 ，停雨时间为 ，其他参数不变。图 为透水层在不同性能下衬砌水压力动态曲线。从图 可看到，在相同降雨强度和降雨持续时间下，随透水层渗透系数的增大，衬砌水压力逐渐降低，说明当透水层渗透性强，即排导系统畅通时，隧道的排导性能较好，衬砌承受的水压力较小，且当透水层绝对通畅（k ）时，衬砌基本不会承受水压力，当透水层堵塞（k ）时，隧道排导性能较弱，在遭受持续强降雨过程中，衬砌承受的水压力峰值则较大。由此可见，提高盲管布设密度、增大透水层渗透性（如采用凹凸防排水板代替防水板）等可在一定程度上降低衬砌水压力。拱顶水压力/k P a拱腰水压力/k P a仰拱水压力/k P a时间/h(b)拱腰水压力 注:注:时间/h(a)拱顶水压力 时间/h(c)仰拱水压力 024487296120 144 168 192 216 2400100200300400500600 透水层 k=110-4 cm/s;透水层 k=110-3 cm/s;透水层 k=110-1 cm/s;透水层 k=1102 cm/s降雨3 d停雨7 d024487296120 144 168 192 216 2400100200300400500600 降雨3 d停雨7 d 024487296120 144 168 192 216 2400100200300400500600 降雨3 d停雨7 d 透水层 k=110-4 cm/s;透水层 k=110-3 cm/s;透水层 k=110-1 cm/s;透水层 k=1102 cm/s注:透水层 k=110-4 cm/s;透水层 k=110-3 cm/s;透水层 k=110-1 cm/s;透水层 k=1102 cm/s图 透水层不同性能下衬砌水压力动态曲线铁 道 工 程 学 报 年 月 隧底设置排导系统对衬砌水压力的影响图 为不同隧底排导形式下衬砌水压力动态曲线。当隧底设置排导系统时，在降雨过程初期衬砌水压力相差较小，随着降雨时间的推移，两者有所差别，具体表现为隧底设置排导系统时，在同等降雨强度和降雨持续时间下，衬砌承受的最大水压力显著减小，且在仰拱位置衬砌承受的水压力也有所折减。由此可见，在隧底设置排导结构，采用全包防水，即在仰拱敷设防水板及排导层，不但可以改善隧道的防水条件，而且可以缓解仰拱的水压力。拱顶水压力/k P a拱腰水压力/k P a仰拱水压力/k P a时间/h(b)拱腰水压力 注:时间/h(a)拱顶水压力 时间/h(c)仰拱水压力 024487296120 144 168 192 216 240050100150200250300350停雨7 d 隧底无排导;隧底有排导注:隧底无排导;隧底有排导注:隧底无排导;隧底有排导降雨3 d 024487296120 144 168 192 216 240050100150200250300350降雨3 d停雨7 d 024487296120 144 168 192 216 240050100150200250300350降雨3 d停雨7 d 图 不同隧底排导形式下水压力动态曲线 泄水孔对衬砌水压力的影响图 为全封堵和设置泄水孔时衬砌水压力曲线。从图 可看到，当无泄水孔时，在降雨补给条件下，衬砌水压力迅速增大，当降雨停止时，水压力基本没有消散；而设置有泄水孔时，水压力动态曲线峰值显著降低，停雨后，衬砌水压力会发生显著的消散减弱过程。这说明当隧道无泄水孔或者泄水孔在后期运营中遭受堵塞排导能力减弱时，在同等降雨条件和降雨持续时间下衬砌水压力增大显著，而且当降雨停止后，衬砌仍然要承受较大的水压，但设置有泄水孔时，衬砌水压力会发生显著的折减。由此可见，采用排水孔或者周边设置径向泄水孔在一定程度上可以减弱降雨导致的衬砌水压力。拱顶水压力/k P a拱腰水压力/k P a仰拱水压力/k P a时间/h(b)拱腰水压力 注:时间/h(a)拱顶水压力 时间/h(c)仰拱水压力 024487296120 144 168 192 216 24002004006008001 000停雨7 d 无泄水孔;有泄水孔注:无泄水孔;有泄水孔注:无泄水孔;有泄水孔降雨3 d 024487296120 144 168 192 216 24002004006008001 000降雨3 d停雨7 d 024487296120 144 168 192 216 24002004006008001 000降雨3 d停雨7 d图 全封堵和设置泄水孔时衬砌水压力动态曲线第 期郭 瑞 郑 波 吴 剑等：降雨过程中隧道衬砌水压力的动态规律研究 泄水量和水压力之间的关系研究图 为洞内泄水量和水压力之间的动态关系曲线。从图 可以看到，当围岩渗透系数较大时（k ），衬砌水压力和降雨量对应关系显著，当遭遇持续进行降雨时，衬砌水压力和泄水量均呈现逐渐增大的现象，当降雨停止时，泄水量逐渐减小，衬砌水压力动态曲线也是呈现减小趋势。这就说明地表降雨和隧道洞内的泄水量存在一定的对应关系，而这种对应关系的强弱则与围岩的渗透性和隧道排导性能的强弱密切相关。特别是在岩溶地层或砂性土层条件下，当岩溶管道和地表连通性能较好时，洞内的泄水量或者衬砌所承受的水压力对地表的降雨量则更加敏感。工程案例分析以成贵铁路某隧道为例，该隧道穿越岩溶区地层，注:024487296120 144 168 192 216 240050100150200250300350泄水量/(m3d-1)拱顶水压力/k P a时间/h 拱顶水压力;降雨3 d停雨7 d00.0020.0040.0060.0080.010 泄水量图 泄水量和水压力之间的动态关系曲线特别是在降雨作用下，隧道涌水量显著增大。为此，针对该隧道地表降雨量和洞内局部涌水量在 年 月进行了连续监测。图 为该隧道洞内流水量及降雨量监测曲线。注:2017-06-022017-06-042017-06-062017-06-082017-06-102017-06-122017-06-142017-06-162017-06-182017-06-202017-06-222017-06-242017-06-262017-06-282017-06-302017-06-022017-06-042017-06-062017-06-082017-06-102017-06-122017-06-142017-06-162017-06-182017-06-202017-06-222017-06-242017-06-262017-06-282017-06-302017-06-022017-06-042017-06-062017-06-082017-06-102017-06-122017-06-142017-06-162017-06-182017-06-202017-06-222017-06-242017-06-262017-06-282017-06-302017-06-022017-06-042017-06-062017-06-082017-06-102017-06-122017-06-142017-06-162017-06-182017-06-202017-06-222017-06-242017-06-262017-06-282017-06-3000.51.01.52.02.53.0洞内流水量/(m3h-1)洞内流水量/(m3h-1)洞内流水量/(m3h-1)累计降雨量/(m m d-1)累计降雨量/(m m d-1)累计降雨量/(m m d-1)累计降雨量/(m m d-1)洞内流水量/(m3h-1)洞内流水量;020406080100 累计降雨量注:洞内流水量;累计降雨量注:洞内流水量;累计降雨量注:洞内流水量;累计降雨量(a)D3K393+645处右侧边墙 00.51.01.52.02.53.0020406080100(b)D3K393+930处右侧边墙00.51.01.52.02.53.0020406080100(c)PD3K394+200处右侧拱腰01234020406080100(d)PD3K393+940处右侧拱腰 日期日期日期日期铁 道 工 程 学 报 年 月2017-06-022017-06-042017-06-062017-06-082017-06-102017-06-122017-06-142017-06-162017-06-182017-06-202017-06-222017-06-242017-06-262017-06-282017-06-30注:洞内流水量;累计降雨量012345020406080100(e)PD3K393+800处右侧拱腰 洞内流水量/(m3h-1)累计降雨量/(m m d-1)日期图 隧道洞内流水量及降雨量监测曲线 由图 可知，从 月 日到 月 日，洞内流水量曲线变化特征可分为两个阶段：第一阶段：从 月 日到 月 日，虽然地表有一定降雨量，但洞内各部位的泄水量基本为，说明洞内泄水量有一定的滞后性，这也与数值计算结果的规律一致。第二阶段：从 月 日到 月 日，降雨量显著增强，同时洞内各部位的泄水量也同规律起伏变化，从 月 日到 月 日，此阶段降雨量为，与此对应的洞内流水量也基本为，说明此阶段对地表的大气降雨反应较为敏感，地表降雨与洞内的渗流连通性较好，在降雨条件下反应较为敏感。综上分析，在岩溶及富水断层等特殊条件下，当隧道设计的排水能力不足时，隧址区持续的强降雨往往易在溶腔内形成较高的承压水头和动水压力，导致隧道结构发生破坏，如隧道内渗涌水、边墙衬砌压溃等病害。因此，针对岩溶区隧道，遇强降雨引起的隧道地下水位短时间内迅速上升时，应采用临时应急措施与永久整治措施相结合的方法进行处置，如可增设横向泄水孔和竖向降压孔等措施。结论通过对降雨过程中隧道衬砌水压力的动态规律研究，得出以下主要结论：（）当围岩渗透系数较大且隧道排导系统排导能力较弱时，持续的强降雨会导致衬砌承受的水压力在短时间内快速突变增大，这种突变上升的水压力对结构安全是潜在威胁。（）降雨强度和降雨持续时间对隧道水压力的动态变化影响显著。即在同一降雨强度下，随着降雨持续时间的增大，衬砌水压力不断增大；降雨持续时间不变时，当降雨强度小于地表降雨入渗量时，伴随降雨强度的增大，衬砌水压力上升越大，两者之间呈正相关关系；而当降雨强度远大于地表降雨入渗量时，该比例关系则是不存在的。（）提高盲管布设密度、增设隧底排导结构、设置泄水孔及增大透水层渗透性（如采用凹凸防排水板代替防水板）等可在一定程度上降低衬砌水压力。（）地表降雨和隧道洞内的泄水量存在一定的对应关系，这种对应关系的强弱则与围岩的渗透性和隧道排导性能的强弱密切相关。特别是在岩溶地层或砂性土层条件下，当岩溶管道和地表连通性能较好时，洞内的泄水量或者衬砌所承受的水压力对地表的降雨量则更加敏感。参考文献：李清，祝志恒，李林毅 强降雨作用下岩溶区公路隧道衬砌破损机制分析 隧道建设（中英文），（）：，（）：晏军 岩溶隧道超前地质预报几种主要物探方法的选择与实践 隧道建设，（）：，（）：张会刚，张广泽，毛邦燕 沪昆客专小高山隧道突水突泥及致灾原因探析 铁道工程学报，（）：，（）：马青，罗禄森，阳军生，等 岩溶富水区深埋水沟排水隧道注浆圈参数研究 隧道建设，（）：，（）：郑波，王建宇，吴剑 高水压富水隧道地下水处治理念与对策 现代隧道技术，（）：，（）：第 期郭 瑞 郑 波 吴 剑等：降雨过程中隧道衬砌水压力的动态规律研究