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岩石地层地铁区间隧道结构防排水技术研究

华福才  
【摘要】:随着隧道及地下工程的发展,越来越多的地下结构在施工和使用过程中,时刻都受到地下水的危害。多年来,人们在与地下水长期斗争中,积累了丰富的经验,总结出了“防、排、堵、截相结合,因地制宜,综合治理”的隧道和地下工程防水原则,使隧道和地下工程防排水技术有了较快的发展。许多隧道和地下工程既要求结构型式经济合理,又要求不渗、不漏,而地下工程的地质条件十分复杂,在修建过程中不同程度地受到地下水的影响,这就要求设计单位进行合理的防排水设计,选择合理的结构型式,合理的防排水方法和材料,从而达到良好的技术经济效益。国内目前正在建设或已经建成地铁的城市,大部分为土质地层,鉴于土层的强透水性以及排水造成的环境影响较大,因此均采用全包防水的系统,且地铁设计规范也是主要根据土层地质城市的地铁建设经验编写的,明确要求以防为主。然而对于像青岛、重庆这样的岩石地质为主的城市,地层含水量和渗透系数均小,如果依然按照规范和传统的防水模式进行结构设计(结构全外包防水,考虑全水头压力),已经不合时宜了。根据实际情况,青岛地铁3号线工程车站及区间隧道约50~60%位于中~微风化岩层中,围岩整体性好,裂隙不发育,且地下水量为贫~极贫,隧道及地下工程涌水量较小,具备设置排水型隧道、防排水结合型隧道以及喷锚永久衬砌的可能性。所以,为了充分利用青岛地区硬岩的地质特点,应寻求一种合理的结构型式及防排水方案,从而减小工程量,降低工程造价,达到良好的技术经济效益。因此,针对于青岛地区的地质特点和国内地铁相关规范的缺陷,开发适用于青岛地铁车站及区间隧道的安全、可靠、经济合理、耐久性好、可维护的防排水系统是当务之急。该防排水系统具备多道设防、安全、可靠的特点,同时具备后期运营期间的可维护性。基于此,本文通过理论分析,数值模拟以及现场实测等手段,对岩石地层隧道防排水系统进行了研究,主要有以下结论:(1)全面考虑岩石质量指标、节理数、节理粗糙度、节理蚀变、水以及地应力6种因素时,采用Q系统的围岩分级对我国隧规法的围岩基本分级进行重新分级,经计算比较得到隧规法的Ⅰ级围岩包含了 Q系统的1~8类围岩,Ⅱ级围岩包含了 Q系统的1~9类围岩,Ⅲ级围岩包含了 Q系统的1~9类围岩,Ⅳ级围岩包含了 Q系统的4~9类围岩,V级围岩包含了 Q系统的7~9类围岩。针对青岛地铁3号线的实际情况进行详细的分级,对每类级别的围岩采取相应地支护措施,考虑的因素更全面,与实际地质条件结合的更紧密。而且以Q系统围岩分级为基础的支护措施能够与实际地质条件更匹配,而且选择更加灵活,可操作性强。(2)以地下水动力学法为理论基础,建立了适合于矿山法地铁隧道的渗流分析模型是较为符合实际工程情况的。经过实际工程的验证,模型具有较好的准确度和较强的实用性,工程技术人员应用起来也较为便利。相比以前传统的隧道涌水量计算公式,本次研究得出的公式充分考虑了岩土两种介质的差异性,建立模型时也区分了潜水层模型和裂隙水地层模型,使得模型的渗流规律更符合实际情况。(3)基于对稳定潜水含水土层特性的分析,创新性的提出公式等效渗透系数的取值方法,该方法将土层作为稳定的含水体,土层不参与等效渗透系数的计算,并通过实际工程验证了方法的合理性。同时,该理论公式尽管是从圆形的模型中推导得出的,但是在低水头的情况下(地铁隧道),隧道涌水量对各种不同形状的敏感性不强,在不同形状的隧道中分析得出的数值差异不大,因此,公式对于低水头的地铁隧道是完全适用的。(4)隧道周边围岩注浆对隧道涌水量的影响比较大,同时也对隧道的防排水系统的设计影响较大。单纯的围岩注浆,虽然可以达到堵水的目的,但并不能保证衬砌结构的安全。在衬砌完全封堵的情况下,且围岩内不存在渗流时,不论围岩、注浆圈渗透系数的大小,衬砌背后最终承受静水压力;当围岩内存在渗流场时,隧道围岩内有水头损失,衬砌背后的水压力要略小于静水压力。因此隧道防排水应采取“以堵为主,限量排放”的原则,采取切实可靠的设计、施工措施,达到防水可靠、排水畅通、经济合理的目的。通过对不同注浆参数条件下隧道渗流量以及注浆圈外水压力情况的计算分析,可以得到以下几点:1)注浆圈渗透系数的减小可以起到减小涌水量的目的,但注浆圈渗透系数减小到一定程度后,如km/kg≥100时,对涌水量的减小效果将减弱。在实际施工中需要在注浆的经济性和堵水性两方面进行综合分析。2)同注浆圈渗透系数的减小一样,注浆圈厚度的增大也可以达到减小毛洞涌水量目的,并且注浆圈厚度也存在一个合理的厚度,rg≥3m时无论继续增大注浆圈半径还是减小注浆圈渗透系数对隧道涌水量的控制效果已经很不明显。3)对于不同的注浆圈厚度,随着围岩渗透系数与注浆圈渗透系数比值的增大,隧道内涌水量减小,各部位孔隙水压力增大,越接近静水压力状态,越不易形成降水漏斗。综上可以得到通过注浆减小围岩的渗透系数、增大注浆圈半径,可以达到减小隧道涌水量,降低施工、运营阶段支护结构的水压力,进而满足隧道安全施工、安全运营的要求。


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