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第 34 卷 第 4 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.4 2012 年 .4 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Apr. 2012 隧道工程全包与半包结构防水体系受力特征试验研究 王秀英，谭忠盛，李 健，杜朝伟 北京交通大学土建学院，北京 100044 摘 要长期以来针对隧道防水该采用全包防水方案还是半包防水方案，一直是人们争论的焦点。依托厦门翔安海底 隧道，对不同防排水方式（即全封堵、堵排结合及排放方式）的隧道衬砌水压力分布规律采用相似模型试验的方法进 行研究，模型试验的比例尺为 1∶38.88，试验台架可同时施加土压和水压。通过模型试验得出结论全封堵条件下， 防水板全包、半包对衬砌背后的水压力、结构的受力无明显影响；隧道内排水后，半包段衬砌背后水压力明显减小， 并随着排水量的增加，水压力基本成直线下降，并且半包段衬砌应变较全包段小，半包情况下衬砌结构受力较为有利。 关键词海底隧道；全包防水；半包防水；结构受力；相似模型试验 中图分类号U459.5 文献标识码A 文章编号1000–4548201204–0654–06 作者简介王秀英1970– ，女，山西应县人，北京交通大学副教授，博士，主要从事隧道及地下工程的教学和研究 工作。E-mail xy98_wang。 Laboratory tests on mechanical characteristics of fully and partially wrapped waterproof systems for tunnel lining WANG Xiu-ying, TAN Zhong-sheng, LI Jian, DU Chao-wei School of Civil Engineering and Architecture, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China Abstract Arguments and focus have always been given to the uation of the fully and partially wrapped waterproof systems for tunnel linings. Based on Xiangan subsea tunnel project in Xiamen, similarity model tests are pered to explore the distribution of water pressures under various drainage conditions fully undrained, partially drained and drained. The model test scale is 138.88. The water pressure and soil pressure are applicable at the mean time during the tests. The test results show that the fully and partially wrapped waterproof systems are similar under undrained condition, while the partially wrapped waterproof system can effectively reduce the water pressure against the tunnel linings, and it is more friendly to the structure under the drained condition. In addition, the area of the partially wrapped waterproof system is smaller than that of fully wrapped waterproof system. Therefore, the partially wrapped waterproof system is recommended. Key words subsea tunnel; fully wrapped waterproof system; partially wrapped waterproof system; mechanical characteristic of structure; similarity model test 0 引 言 海底隧道需穿越海底地层，尤其是穿越海底断层 破碎地段，水压高，水源无限稳定补给，且不具备自 然排水的条件，防排水问题更加突出[1-3]，并且防排水 系统一旦失效，后果是灾难性的。 在隧道防水设计中，一般采用复合式衬砌，其防 水技术的核心是在复合式衬砌中设置防水层[4-6]。 防水 层是保证隧道防水功能的重要措施，既将地层渗水隔 离于二次衬砌之外，又在初期支护与二次衬砌之间起 到隔离作用，使初期支护喷射混凝土对二次衬砌模筑 混凝土的约束应力减少，从而避免二次衬砌混凝土结 构产生裂缝或蜂窝麻面，提高二次衬砌混凝土的防水 抗渗能力，提升复合衬砌防水夹层的完整性。对于防 水层的铺设，有全包防水和半包防水两种[4-9]，前者从 围岩、 结构和附加防水层入手， 体现以防为主的排水； 后者从疏水、泄水着手，体现出排堵结合的控制型排 水。这两种防水方式，对于缓解衬砌结构受力及衬砌 背后水压折减的效果如何，一直存在争议[10-11]，故有 必要针对这个问题进行深入研究。 本文依托于厦门翔安海底隧道，采用可同时考虑 水土压共同作用的模型试验台架，使用相似材料制作 模型，模拟海底隧道的水土压应力场，研究海底隧道 防水板全包与半包防水条件下二衬背后水压变化规律 及隧道二衬结构受力变化特征，为类似工程中在防水 ─────── 基金项目国家自然科学基金项目（50878019） 收稿日期2011–02–21 第 4 期 王秀英，等. 隧道工程全包与半包结构防水体系受力特征试验研究 655 层的设计上提供参考。 1 试验方案 1.1 工程背景 F1、F2、F3 全强风化深槽以及 F4 全强风化囊是 厦门翔安海底隧道的设计与施工的关键技术问题之 一，其中又以 F4 全强风化囊最为复杂，该段岩层的 围岩级别为 V 级，此类全–强风化岩体强度低、自稳 能力差。该段海水深约为 25 m，隧道拱顶上层覆土厚 度约为 40 m，为全强风化岩层，地质钻孔资料显示风 化岩体碎裂成泥土状，模型试验可视为各向同性松散 空隙介质。该段隧道拱顶最大水压为 0.65 MPa。 由于隧道所处地质条件变化大，任何一种防排水 方案都不能完全适应环境条件。根据对隧道所处地质 条件、水压、结构耐久性和后期运营抽水费用等的综 合分析，针对不同地层采用不同的结构防排水方案。 对Ⅳ，Ⅴ级围岩，全–强风化、断层破碎带等富水围 岩段，渗水量较大，在此类地段采用全封堵方案，加 强围岩预注浆，控制较大水量进入隧道，但隧道仍设 纵向排水管以排出少量的渗漏水， 衬砌按全水压设计； 对于地质条件好的Ⅱ，Ⅲ级围岩地段，采用限量排放 方案， 设置包括环向盲管等的完整的地下水排导系统。 主洞隧道的结构防排水方案如图 1 所示。 图 1 厦门海底隧道全封闭段结构防排水方案 Fig. 1 Waterproof and drainage scheme of closed zone in Xiamen subsea tunnel 1.2 相似准则 相似准则是模型试验相似比尺设计的关键，可以 利用定律分析法、方程分析法或量纲分析法推导出相 似准则[12-13]。本文采用量纲分析法推导模型的相似 比，该方法以相似第二定理（π 定理）为理论基础。 根据量纲分析法， 选择 kgM、 mL、 sT为基本量纲， 取 3 个独立的物理量，对于几何尺寸 l、重度 γ、渗透 系数 k 的因次系数矩阵如下 010 022 011 MLT l k γ−− − 。 1 故可取这 3 个物理量为基本物理量，根据 π 定理 可得各个物理量相似常数计算公式[14-15]。通过相似理 论和模型试验原理的研究，以及原型的工程地质状况 和隧道结构形式，结合模型试验台架的几何尺寸，模 型试验研究中选取的几何相似常数[16]几何相似常 数αl＝38.88，重度αr＝1，泊松比αμ＝1，弹性模量 αE＝αr αl＝38.88，围岩渗透系数αk＝1。 1.3 相似材料的配制 根据模型试验台架的容积，所需的围岩材料约为 5 方。取得相似材料的原料即沙性黏土后，第一步是 对原料进行筛选，去除沙性黏土中的石块和杂物。确 保相似材料的均质与各向同性性。第二步取样进行围 岩相似材料的土工试验，测试围岩的物理力学参数。 所有进行的土工试验项目如表 1 所示。根据围岩相似 材料的土工试验项目，对原料取样进行土工试验，测 得其物理力学参数如表 2 所示。 表 1 围岩相似材料物理力学指标的土工试验值 Table 1 Geotechnical test values of physical and mechanical indices of similar materials for surrounding rock 试验指标 试验值 试验指标 试验值 颗粒分析 10～0.002 mm 干密度/gcm -3 1.787 初始弹性模 量/MPa 25 渗透系数 /cms -1 1.810 -4 比重/gcm -3 2.647 饱和重度 /kNm -3 23.92 压缩模量/MPa10 无侧限抗压强度 /kPa 60.72 剪切弹性模量 /MPa 55.5 抗剪指标 c45.29 kPa φ35 表 2 原型与模型主要物理力学指标比值 Table 2 Ratios of main physical and mechanical indices of prototype to model 类型 几何 尺寸 重度 γ /kNm -3 弹性 模量 E/GPa 泊 松 比 μ 计算 摩擦 角ϕ 渗透系 数 k /cms -1 原型 材料 38.8819.00 1.000 0.46 30.002.0510 -4 模型 材料 1.0017.87 0.025 0.41 35.001.810 -4 比例38.88 1.06 40.000 1.12 0.86 1.14 根据以上围岩相似材料的土工试验成果得到各项 物理力学参数，代入相似理论与模型试验原理的确定 的相似准数计算公式（1） ，围岩相似材料的选择非常 656 岩 土 工 程 学 报 2012 年 好的满足了模型试验的相似准则。 同时，依托工程中水头为 0.65 MPa，拱顶覆土为 40 m，根据相似理论模型拱顶水压为 0.65/38.88 0.0167 MPa，覆土厚为 40/38.881.03 m，根据模型尺 寸，按式（2）计算需加液压力 1940/38.882.6 1.050.82 kNFhSγ，2 则每支液压千斤顶的加载为 F/412.7 kN。 故模型在初 始加载水压为 0.0167 MPa，土压为 50.82 kN。 1.4 试验装置 本模型试验采用北京交通大学自主研发的可同时 加载水压力和围岩压力的隧道模型试验装置进行试验。 台架尺寸为 260 cm100 cm180 cm。竖向 4 个液压 加载千斤顶，水平方向左右各有 2 个液压加载千斤顶， 每个最大加载 500 kN。同时可在上顶面加 0～0.5 MPa 的水压。液压加载系统与水压加载系统无干涉。 图 2 隧道结构与围岩相互作用模拟试验系统 Fig. 2 Double-field coupling test system for tunnel structures 1.5 试验内容 试验过程主要测试项目分别测试变水头及变排 量条件下，全包式与半包式防水段衬砌背后水压规律 及衬砌结构受力特征，测点布置如图 3 所示。应变采 用光纤光栅传感测量系统， 水压采用 U 型水银压力计 测量，如图 4 和图 5 所示。 图 3 水压及应力测点布置图 Fig. 3 Layout of monitoring points for water pressure and stress 图 4 光纤光栅采集系统 Fig. 4 Fiber grating acquisition system 图 5 U 型水银压力计 Fig. 5 U-type mercury manometer 1.6 试验过程 试验过程①制作隧道结构模型，衬砌采用钢筋 混凝土模拟， 按照相似比初衬厚度取 0.77 cm， 二初衬 厚度取 1.8 cm，长度取 1 m；用 M2.3 的水泥砂浆来模 拟喷射混凝土， 设置全包段和半包段防水板及无纺布。 ②排水盲管与排水口的设置，纵向盲管由塑料细管制 作而成，外表壁设置大量透水口，外由纱布包扎，防 止砂土流入引起阻塞，排水口在两侧设置各 6 处，总 共 12 个排水口。 ③安装光纤光栅应变传感器。 ④安装 模型外防排水系统。⑤在台架内安装隧道模型及埋设 水压测试点，填土并隔断全包与半包段渗流场联系， 采用防水卷材隔断全包段与半包段水力连接如图 6 所 示。⑥施加土压力至稳定状态。⑦施加水压至稳定状 态。⑧加水、土压，记录全包半包段试验数据。 图 6 防水卷材隔断全包与半包段水力连接 Fig. 6 Hydraulic connection of model of fully and partially .wrapped waterproof sections 2 试验结果分析 （1）全封堵时 第 4 期 王秀英，等. 隧道工程全包与半包结构防水体系受力特征试验研究 657 全封堵条件下，根据相似条件，测试外水压分别 为 0.0167，0.032，0.04，0.05，0.06，0.07，0.074 MPa 时下包段和半包段各测点的水压及衬砌应力，由于篇 幅所限，本文只给出几个典型的关系曲线。全包段衬 砌背后的水压随进水口水压的关系曲线如图 7 所示， 半包段衬砌背后水压力随进水口水压的关系曲线如图 8 所示， 不同水压作用下衬砌结构应变规律如图 9， 10 所示。 图 7 全封堵时全包段衬砌水压变化曲线 Fig. 7 Variation of water pressure of lining of fully wrapped section under undrained state 图 8 全封堵时半包段衬砌水压变化曲线 Fig. 8 Variation of water pressure of lining of partially wrapped ..section under undrained state 图 9 0.0167 MPa 水荷载作用下衬砌结构应变 Fig. 9 Strain of lining under water pressure of 0.0167 MPa 从上述试验结果，可以得出以下规律 a） 在防排水方式为全封堵的变水头过程中， 随着 外界水头的增加，全包段及半包段二砌背后各测点的 水压及衬砌结构应力基本成线性增长，各点压力分布 也较为集中均匀。 b）全封堵时，对比不同防水板铺设情况、同一位 置水压及衬砌应力情况发现，随着水头的变化，当防 水板全包和半包时，二衬背后的水压及衬砌结构应力 基本一致，变化不明显，但半包段处衬砌应力较为均 匀。可以得出，当排水方式为全封堵时，防水板全包 和半包对衬砌背后各点水压及衬砌结构应力均无显著 影响， 但半包式能一定程度上改善衬砌周边应力环境。 （2）变排量过程时 试验过程中当水压分别加载到 0.04 MPa 和 0.06 MPa 时，分别保持进水口水压不变，逐渐增大隧道排 水量，当每级排水量稳定后，记录各测点的读数，得 到不同排水量条件下，由于篇幅所限，本文只给出几 个典型的关系曲线。衬砌背后各点水压与排水量关系 曲线如图 11～14 所示； 不同排水量时衬砌应变规律如 图 15，16 所示。 图 10 0.074 MPa 水荷载作用下衬砌结构应变 Fig. 10 Strain of lining under water pressure of 0.074 MPa 图 11 0.04 MPa 水压时全包段衬砌水压与排水量关系曲线 Fig. 11 Relationship between water pressure and drainage discharge of lining of fully wrapped section under water pressure of 0.04 MPa 从上述试验结果，可以得出以下规律 a）在 0.04 MPa 和 0.06 MPa 变排量时，半包段二 658 岩 土 工 程 学 报 2012 年 图 12 0.04 MPa 水压变排量时半包段水压与排水量关系曲线 Fig. 12 Relationship between water pressure and drainage discharge of lining of partially wrapped section under water pressure of 0.04 MPa 图 13 0.06 MPa 水压时全包段衬砌水压与排水量关系曲线 Fig. 13 Relationship between water pressure and drainage discharge of lining of fully wrapped section under water pressure of 0.06 MPa 图 14 0.06 MPa 水压变排量时半包段水压与排水量关系曲线 Fig. 14 Relationship between water pressure and drainage discharge of lining of partially wrapped section under water pressure of 0.06 MPa 图 15 0.06 MPa 水压变排量 3，9 测点水压变化对比曲线 Fig. 15 Comparison curves of water pressure between points No. 3 and No. 9 under water pressure of 0.06 MPa 衬背后的水压力下降幅度较大；对比全包段与半包段 同一位置（左侧排水口）处水压，可发现全包段测点 水压下降仅为 8，半包段测点水压下降达 30，且 下降速度明显； 全包段所有测点水压下降幅度在5～ 10之间，半包段所有测点水压下降幅度在 23～ 30之间。并且，半包段较全包段拱顶和拱肩处水压 有所下降，拱脚和拱底处水压下降很明显。 b） 在变排量的过程中， 防水板全包段二衬的受力 呈上下内鼓、两端外鼓的形状，半包段二衬的上部受 力较小，仰拱处向上突出较大。随着排水量的增大， 全包段受力无较大变化，半包段趋于平缓，且半包段 普遍结构变形较全包段小，衬砌结构受力较为有利。 图 16 0.04 MPa 水荷载排水量 2.2 ml/s 作用下衬砌结构应变 Fig. 16 Strain lining under water pressure of 0.04 MPa and drainage discharge of 2.2 ml/s 图 17 0.04 MPa 水荷载排水量 16.7 ml/s 作用下衬砌结构应变 Fig. 17 Strain of lining under water pressure of 0.04 MPa and .drainage discharge of 16.7 ml/s 3 结 论 通过对海底隧道全包与半包防水板衬砌水压力及 结构受力特征分析，得出以下几点结论 （1）隧道采用全封堵防水方式，隧道内不排水， 全包式防水与半包式防水条件下衬砌背后水压均不能 折减，且衬砌结构受力基本规律与大小基本一致，相 比较而言，半包式防水能一定程度上改善衬砌周边应 力环境。 故在隧道工程防排水设计中， 如果以防为主， 采用全包式防水与半包式防水差异不大，考虑经济效 应的原因，建议采用半包式防水设计。 （2） 隧道采用限量排放的防排水方式， 全包式防 第 4 期 王秀英，等. 隧道工程全包与半包结构防水体系受力特征试验研究 659 水与半包式防水条件下衬砌背后水压力随排水量的增 加而减小，且半包式较全包式水压折减幅度更大；在 衬砌结构受力方面，半包段衬砌应变较全包段小，且 受力较均匀，半包情况下衬砌结构受力较为有利。故 在类似工程中， 如果采用排导或堵排结合的防水设计， 建议采用半包防水。 参考文献 [1] 吕 明, GRV E，NILSEN B, 等. 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