淺析富水區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)水壓力計(jì)算

程時(shí)運(yùn)

摘 要：在我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展時(shí)期，隧道工程基礎(chǔ)建設(shè)也飛速發(fā)展，主要集中在西南地區(qū)，這些地區(qū)海拔較高、試問(wèn)地質(zhì)條件復(fù)雜，經(jīng)常需要修建深埋隧道，高水壓力是工程結(jié)構(gòu)的主要隱患之一，越來(lái)越受到廣大學(xué)者的關(guān)注。本文主要介紹襯砌結(jié)構(gòu)水壓力的計(jì)算方法及滲流場(chǎng)的分析。

關(guān)鍵詞：水壓力；滲透理論；折減系數(shù)；隧道襯砌

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.075

1 襯砌水壓力研究現(xiàn)狀

隨著人們的環(huán)保意識(shí)也越來(lái)越強(qiáng)，“以排為主”甚至“完全排出”的方式現(xiàn)在也不被提倡了。在這種情況下，必須改變“以排為主，排堵結(jié)合”的方式，采取“以堵為主，排堵結(jié)合”的方案。

在富水區(qū)修建公路隧道時(shí)，隧道的埋置深度以及水頭高度決定了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的水壓力大小，隧道埋深越大，水頭高度越高，襯砌結(jié)構(gòu)承受的水壓力荷載越大，如何安全、可靠地進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)、施工又不影響生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵在于確定襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓力大小。

由于交通等部門還沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范參照，所以大多還是參照水工隧道設(shè)計(jì)規(guī)范。國(guó)內(nèi)最早提出襯砌結(jié)構(gòu)水壓力問(wèn)題的主要是水工隧道的專家學(xué)者，起初張友天等人提出水壓力是水工荷載的主要荷載，對(duì)于襯砌的型狀和尺寸起著決定性作用.I.W.Farmer等對(duì)支護(hù)的靜水壓力進(jìn)行研究，提出注漿能有效控制地下水的排放，從而在一定程度上能減小襯砌上水壓力的作用；王建宇等提出了“全堵型”和“注漿+排導(dǎo)”兩種防水方式，還針對(duì)水壓力的計(jì)算提出了關(guān)鍵性的建議。隨后，鐵道部提出了“限量排放”的新方案來(lái)處治地下水。由此可見(jiàn)，隧道工程水壓力問(wèn)題越來(lái)越為大家所重視了。

2 襯砌水壓力計(jì)算方法

目前，隧道襯砌水壓力的計(jì)算方法大體分為4種：

（1）淺埋隧道中，對(duì)地下水采取“以排為主”的方案，隧道的設(shè)計(jì)規(guī)范不考慮水壓力在襯砌上的作用；

（2）在富水區(qū)深埋隧道中，水頭較高，襯砌結(jié)構(gòu)水壓力不可以不考慮，但是在這方面可供參考的研究資料較少，沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范可以遵循。所以，富水區(qū)深埋隧道大多借鑒水工隧道計(jì)算水壓力的方法，即水壓力折減系數(shù)法。計(jì)算公式如下：

P=β1β2β3P0

式中， P—作用在襯砌上的外水壓力；β1—初始滲流場(chǎng)水壓力修正系數(shù)；β2—襯砌與圍巖滲透相對(duì)關(guān)系修正系數(shù)；β3—防排水措施對(duì)襯砌外水壓力影響修正系數(shù)；P0—計(jì)算點(diǎn)處由地下水位產(chǎn)生的靜水壓力。

（3）公路隧道工程采取的研究方法有很多的差別，但是大體上是運(yùn)用折減系數(shù)法，逐漸按均質(zhì)圍巖嘉定，按照Darcy定律，對(duì)隧道圍巖滲流場(chǎng)進(jìn)行分析，確定襯砌結(jié)構(gòu)的水壓力。

Darcy定律公式如下：

式中：Q—滲透流量；ω—過(guò)水?dāng)嗝?；h—水頭損失；L—滲透途徑；I—水力梯度；K—滲透系數(shù)。

（4）考慮滲流場(chǎng)與圍巖應(yīng)力場(chǎng)耦合作用的問(wèn)題，從理論上講，考慮耦合作用是比較精確和合理的方法，但是這方面的研究需要較多的模型和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)支撐。

3 滲流理論分析

假定巖土體在水壓力特性下為各向同性、均勻的連續(xù)性介質(zhì)，用分布在圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)上的場(chǎng)力來(lái)表示地下水對(duì)圍巖和襯砌的作用力，即為滲流力。滲流的基本是法國(guó)工程師達(dá)西由實(shí)驗(yàn)總結(jié)而得的Darcy定律，即：

v=Q/A=k·j

式中：v為斷面平均流速，u為點(diǎn)流速，Q為滲透流量，A為斷面面積，k為土體滲透系數(shù)，j為水力坡降。

由Darcy定律可得，巖體中水流的流速為

v=-k·j=-k·gradh

式中：v為滲透水流流速，k為滲透系數(shù)，j為水力坡降，h為水力勢(shì)。

滿足Darcy定律的各向同性均質(zhì)巖體中滲流的基本微分方程是連續(xù)性方程，即滲流場(chǎng)中水在某一單元體內(nèi)的增減速率等于進(jìn)出該單元體內(nèi)的增減速率等于進(jìn)出該單元體流量速率之差，也是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的具體表述形式。這組方程是封閉的。即：