高速铁路隧道防水型衬砌的设计

高速铁路隧道防水型衬砌的设计
龚彦峰;唐曌
【摘要】高速铁路隧道防水等级要求为一级:衬砌不渗水、无湿渍.当高速铁路隧道下穿城市市区,采用"V"形纵坡时,为保护环境,减少运营期间的抽排水费用,应采用防水型衬砌.结合新广州站及相关工程项目的金沙洲隧道,对防水型衬砌的设计原则、计算方法和结构防排水设计进行探讨.
【期刊名称】《铁道标准设计》
【年(卷),期】2007(000)0z1
【总页数】3页(P16-18)
【关键词】高速铁路;隧道;防水型衬砌;设计
【作者】龚彦峰;唐曌
【作者单位】铁道第四勘察设计院,武汉,430063;铁道第四勘察设计院,武
汉,430063
【正文语种】中文
【中图分类】U459.1
1 防排水设计类型的选择
1.1 国内外交通隧道的防排水设计原则
按照我国《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)的要求，铁路隧道防排水应采取“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，采取切实可靠的设计、
施工措施，保障结构物和设备的正常使用和行车安全[1]。

我国的铁路隧道绝大部
分为山岭隧道，具有较大埋深，以往多采用“排水型”的设计理念，即通过设置在衬砌背后的盲沟和透水垫层将地下水引入隧道水沟后排出，在确定衬砌荷载时不考虑衬砌承受水压力。

目前采取的“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，和我国铁路隧道所处的环境状况和地下水发育状况是相适应的，合理的。

对于修建于城市的地铁隧道，《地铁设计规范》(GB50157—2003)要求地下结构
防水应遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”的原则，采取与其相适应的防水措施。

当采用盾构法修建地铁隧道时，一般采用全包防水。

有专家指出：“从保护地下水资源和生态环境出发，浅埋矿山法地铁隧道也应同盾构法隧道，采用全封堵防水衬砌结构，设置‘全包’防水层，不设盲沟和透水垫层”。

国外的隧道一般也把隧道分为防水型隧道和排水型隧道，一般情况下按排水型隧道进行设计，在以下情况下考虑采用防水型隧道设计：环境要求严格、限制排水对周边环境的影响，特别是在城市条件下以及大量排水对水理条件、地表枯水、生态环境等造成重大影响的场合；洞口地段对地表下沉有重大影响，从而危及周边环境的场合；地下水具有腐蚀性，而需要将地下水与混凝土隔离的场合。

我国台湾高速铁路对于隧道上方人口稠密且引用地下水者，采用不排水隧道设计。

在全线总共48座隧道中，有29座采用排水型衬砌，19座隧道采用不排水设计或部分不排水设计。

设计规范要求不排水隧道衬砌完成面须完全干燥，施工实际执行时规定允许渗水标准为任一处不超过0.1 L/(d·m2)，或隧道内任何50 m范围内不超过0.4 L/(d·m2)。

1.2 武广客运专线金沙洲隧道概况
金沙洲隧道为武广客运专线新广州站及相关工程项目的一座隧道，隧道位于广州市西北侧。

隧道(含明洞)结构长度3 982 m，建筑长度为4 354 m。

隧道工程主要组成有进口斜切式洞门段长13 m、暗挖段隧道长3 581 m、明挖暗埋段(拱形明洞
和矩形明洞)长388 m、出口引道U形槽段长372 m。

全隧道位于直线上，隧道
纵坡为V形坡，分别为长2 354 m的20‰的下坡和长2 000 m的20‰的上坡。

除隧道进口为小丘陵外，其余地段位于珠江冲积平原地带，隧道洞身最大埋深约
25 m。

隧道位于剥蚀残丘与珠江冲积平原交接地带，地势较为平坦。

地表主要为农田、鱼塘、小河渠，地表分布有农村低层房屋。

在隧道沿线地面有高速公路及二、三级公路通过。

根据广州市规划，本地区以后将建设成高档住宅小区。

根据勘察揭示，金沙洲隧道处在古生界和新生界岩性地层的区域内，场区的岩土层按其成因主要分为：第四系人工填土层；全新统冲积相沉积层淤泥、粉质黏土、粉砂；石炭系下统全风化～弱风化粉砂岩、炭质灰岩；泥盆系上统全风化～弱风化粉砂岩、长石石英砂岩等。

隧道地下水自上而下为：第四系全新统松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和灰岩溶洞水。

1.3 金沙洲隧道防排水设计原则的选择
金沙洲隧道位于地下水位以下，隧道纵坡为V形坡，隧道埋深较小。

为减少隧道
修建对环境的影响和运营期间的排水费用，隧道应采用防水型衬砌，通过对主体结构、外包防水层、施工缝变形缝处理和U形槽段的防雨棚设计，达到主体结构一
级防水标准。

2 衬砌主体结构的计算和设计
根据隧道的埋深，隧道主体分别采用隧道衬砌和明洞结构。

明洞结构又根据拱顶回填厚度分为拱形明洞和矩形框架明洞。

笔者主要介绍暗挖隧道防水型衬砌的设计。

2.1 主体结构设计原则
暗挖隧道段采用复合式衬砌，由初期支护、全包防水层和二次模筑衬砌组成。

由于隧道位于地下水位以下，而隧道初期支护喷混凝土、锚杆、钢架的耐久性目前尚没有具体的规定和要求。

从安全考虑，本隧道的初期支护主要考虑施工安全和控制围
岩的变形，其支护参数依据工程类比并辅以必要的理论分析确定。

因本隧道采用防水型衬砌，二次衬砌按承受全部围岩压力和水压力，采用荷载-结构模式进行计算。

2.2 主体结构计算
二次衬砌计算荷载组合为：围岩压力+水压力+结构自重+基底反力，各作用的组
合系数取1.0。

结构按围岩级别、隧道埋深分别计取荷载。

计算模型及荷载见图1
和图2。

图1 金沙洲隧道计算建模
图2 金沙洲隧道计算荷载
金沙洲隧道正洞存在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ各级围岩，设计根据围岩级别和地下水头高度将暗洞衬砌分为12种类型。

图3、图4为Ⅳ级围岩地段，当拱顶设计水头高度
h=25 m时的Ansys计算结果。

Ⅳ级围岩的有关物理力学参数见表1。

二次衬砌
采用C35钢筋混凝土结构，其混凝土重度为25 kN/m3，弹性模量为31.5 GPa。

表1 围岩物理性质及力学性质参数围岩级别天然容重/(kN/m3)浮容重/(kN/m3)侧压力系数基床系数/(MPa/m)泊松比Ⅳ23130 234000 33
由图3弯矩图可见，最大弯矩出现在边墙墙脚位置，仰拱中部的弯矩也接近最大，最小弯矩出现在拱顶处。

由图4轴力图可见，二次衬砌作为连续弹性地基梁，在
如上荷载作用下，不同截面轴力变化不大，受力较均匀。

其最危险部位处于拱顶。

图3 考虑水压力时的弯矩
图4 考虑水压力的轴力
表2为金沙洲隧道Ⅳ级围岩地段当拱顶设计水头高度h=25 m时的配筋计算结果；表3为危险截面的安全系数，均满足《铁路隧道设计规范》钢筋混凝土安全系数2.0的要求。

表2 拱顶水头高度25 m时Ⅳ级围岩二次衬砌计算结果项目衬砌厚度/m钢筋面积/mm2配筋含筋率仰拱/拱墙拱部0 65380010ϕ220 00580 65380010ϕ220
00580 4510055ϕ160 0022
表3 衬砌危险地段安全系数结构配筋计算部位仰拱/拱墙拱部单元号ELEM弯矩/(kN·m)轴向力/kN安全系数93(仰拱中部)1059 002954 702 048979(边墙墙脚)1143 403178 602 010134(拱部墙脚)4 762473 604 6683
2.3 主体结构衬砌断面
根据上述的分析计算，Ⅳ级围岩、当拱顶以上水头高度为25 m时的结构断面如图5所示。

图5 衬砌结构断面设计(单位：cm)
对比“通隧(2005)0301—10”图，Ⅳ级围岩衬砌断面不考虑水压和考虑水压时，主要有如下差别。

(1)水压力会对结构产生明显的不利影响，即使水头不高。

(2)为抵抗外水压力，衬砌断面应设计得更圆顺，仰拱部位弯矩较大应加强，仰拱配筋增加较多。

3 防排水设计
3.1 隧道防排水标准
隧道采用全封闭的防水型隧道衬砌，衬砌外地下水不进入隧道内，隧道内水沟主要用于排除运营水。

隧道防水等级满足《地下工程防水技术规范》(GB50108—2001)规定的一级防水标准：衬砌不渗水，衬砌表面无湿渍。

3.2 隧道防排水措施
截堵水措施：采取开挖前预注浆或开挖后围岩注浆等措施对地下水进行截堵。

根据超前地质预报成果判定，在水量丰富、导水性好的断层破碎带、岩溶发育段等地段围岩自稳能力差，施工中可能产生突水、突泥，采取超前预注浆措施；当在一般地段裂隙水较发育但不影响施工安全时，采用开挖后围岩径向注浆。

防水措施：暗挖隧道设置全封闭可粘贴防水板，防水板厚度2.0 mm；二次衬砌采
用防水混凝土，抗渗等级不小于P12；纵向施工缝主要采用刷涂混凝土界面剂、
止水钢板和遇水膨胀橡胶止水条防水；环向施工缝采用外贴式橡胶止水带、中埋式钢边橡胶止水带双道防水并设置可重复注浆管；变形缝拱墙部分采用外贴式橡胶止水带、中埋式钢边橡胶止水带、聚硫密封胶等措施防水；仰拱部位采用外贴式橡胶止水带、中埋式钢边橡胶止水带防水，并环向设置双层抗剪钢筋，以减小变形缝两侧的不均匀沉降。

洞内排水：隧道最低处设置集水井，将汇集的地下水排入废水泵房。

4 结语
随着环保要求的提高和可持续发展的需要，人们对隧道的防水要求越来越高。

但防水标准的提高将引起隧道造价的增加，而且当水头很高时，衬砌的设计将变得很困难。

因而对埋深很大的山岭隧道，应采取防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理的原则，不宜采用防水型隧道；对穿越环境要求高的地区，当隧道埋深不太大时，应采用防水型衬砌。

防水型衬砌应考虑水压力的作用，并做好衬砌结构和防水设计。

参考文献：
[1]TB10003—2005，铁路隧道设计规范[S].
[2]GB50157—2003，地铁设计规范[S].
[3]王建宇.隧道工程的技术进步[M].北京:中国铁道出版社，2004.
[4]关宝树.隧道工程设计要点集.北京:人民交通出版社，2003.
[5]台湾交通部高速铁路工程局.隧道新奥工法施工概述[Z]，2005.
[6]GB50108—2001，地下工程防水技术规范[S].。