隧道渗流水压力分布规模研究成果

为验证理论推导结果的可靠性,以深圳某大型地下立交工程为依托进行了室内大型渗流试验。试验采用了前述与工程现场相符的围岩、注浆圈、衬砌等新型相似材料,利用自主研发的施工及运营期矿山法隧道渗流模型试验系统,分析隧道渗流场水压力分布规律,用以推导隧道渗流影响范围。

考虑莲塘山植被茂盛,工程环境相对复杂,本次研究仍然选择隧道开挖至距离水库大坝最近的NXK2+980附近为原型,该区段埋深约40.4 m,水头位于地表以下10.6 m,以中风化至微风化基岩为主,岩芯表面多见水蚀溶孔及溶隙,地下水活动频繁。通过各钻孔孔内摄像解译的裂隙发育情况,可知主线隧道穿越莲塘山该里程段附近发育有5组主要裂隙面,产状分别为24∠39,171∠53,213∠52,262∠59,337∠48,根据节理裂隙面的产状和本工程段隧道的走向,应用赤平投影原理,显示出线路与主要裂隙面的相对关系,如图5.3所示。考虑裂隙节理分布离散、各向异性等特征,地下水流动具有不均一性,通过现场抽、注水试验确定围岩平均渗透系数为0.135 m/d。

图5.3　隧道与主结构面及主要裂隙面的相对关系图

试验相似比依旧采用:几何相似比CL=1/30,渗透系数相似比CK=1,重度相似比Cγ=1,水头高度相似比CH=1/30,时间相似比CT=1/30,水压力相似比CP=1/30。模型试验相似材料以控制渗透系数为综合指标,研制过程见5.3节所述。其中,运营期二衬结构采用水膏比1∶1.3的特种石膏外涂3 mm防水清漆进行模拟(见图5.4)。通过大量配比试验,确定试验相似材料配比见表5.1。模型试验装置采用施工及运营期矿山法隧道渗流模型试验系统(见图5.5),其构造和功能如4.4节所述。由于本次试验主要研究富水区城市隧道渗流场水压力分布规律,为便于同理论研究结果进行对比,且试验为局部渗流模型,考虑采用无限补给作用水头[114],试验中作用水头模拟依靠控制高度可调节式循环水箱装置来实现。

图5.4　二衬相似材料的研制

表5.1　模型试验相似材料配比

注:表中所用黏土粒径≤0.075 mm,细砂粒径≤0.3 mm,炭渣粒径≤2 mm。

试验分别模拟毛洞和设置有注浆圈、衬砌的两种渗流场。其中,注浆圈采用自制模具成型,环间接缝涂抹高标号防水水泥连接,确保地下水经过指定线路渗流。试验选用采集频率高、信号稳定、抗干扰能力强的TST型孔隙水压力传感器(水压力计量程30 kPa,精度0.1 kPa),结合泰斯特(TST3826F)60测点静态应变测试分析系统,测试各特征点水压力值(见图5.6)。

水压力测点集中布置在模型试验箱中部隧道横断面上,并分别在隧道上方、隧道水平中心线和隧道下方的围岩中布置3条测线,各个测点均匀分布在测线上(测点间距20 cm),其相对位置如图5.7所示。在两端双层法兰盘上(隧道初衬与二衬之间)设有排水孔,由导管引入拱顶位置排水,排水量采集依靠软管连接带刻度的水箱进行,软管上设有调水阀,可主动控制排水量,实现限量排放的模拟。(www.xing528.com)

图5.5　施工及运营期隧道渗流场模型试验系统

图5.6　水压力测量系统

图5.7　测点布置

运营期隧道渗流场分布模型试验流程如下:

①将配制的围岩相似材料分层铺设到渗流模型箱中,在围岩四周铺设一层50 mm厚碎石层,以形成均匀渗流场并加快试验渗流速度[见图5.8(a)]。

②依次安装预制的注浆圈、初衬、二衬等隧道结构进行运营期隧道模拟,并在注浆圈外侧安装反滤层,当注浆圈位置填充围岩相似材料且无衬砌时,模拟毛洞状态;在预定特征点位安置水压力计并连接应变箱,静态应变测试分析系统采用接地线埋入土中,以消除外界环境干扰,保证测试水压力值的可靠性,调试数据采集系统,渗流试验前对水压力计数值进行校准和调零[见图5.8(b)—(d)]。

③封闭模型箱顶盖,在出线口涂抹防水密封胶,以保证水密性,控制移动式循环水箱装置保证稳定的试验水头向模型箱中补给;隧道排水量和各测点水压力值稳定后,读取测试结果。

图5.8　试验过程照片