高壓富水區(qū)隧道襯砌水荷載與結(jié)構(gòu)受力計算研究

趙培超

1引言

研究圍巖滲流與襯砌水荷載的方法主要有數(shù)值法與解析法。在復(fù)雜模型、地質(zhì)條件下，數(shù)值方法比較適用，但是應(yīng)用起來較為復(fù)雜;解析方法則把問題進行簡化，然后經(jīng)過理論推導(dǎo)得出解析公式，雖然推導(dǎo)很復(fù)雜，但應(yīng)用起來相對簡單。本文主要將計算模型退化為軸對稱問題和利用保角變換原理對一般情況下高壓富水區(qū)隧道水荷載進行解析研究，并對襯砌水壓力折減系數(shù)的敏感度和復(fù)合式襯砌水壓力“分配”情況等進行相應(yīng)的探討和分析。

2工程概況

石板隧道工程是連接中梁山東西兩側(cè)的一條重要通道。線路全線位于九龍坡區(qū)，距北側(cè)成渝高速中梁山隧道約8.30km，距南側(cè)華福隧道4.85km。該隧道屬深埋特長隧道，設(shè)計為分離式雙洞。縱向上采用人字坡，線路西側(cè)坡率3‰，線路東側(cè)坡率-1.98‰，變坡點樁號K3+160.0，設(shè)計高程309.9m，此處亦是隧道最大埋深點，約為344.0m。隧道開挖洞寬約13.5m，高約9.0m。

3隧道水荷載問題的解析解

對于隧道位置處水深小于隧道埋深的山嶺隧道，假定隧道斷面為圓形，圍巖為各向同性均勻連續(xù)介質(zhì)，地下水滲流滿足滲流連續(xù)性方程和Darcy定律，遠水勢恒定為H，不計初始滲流場及相應(yīng)的滲流力。且令：kl 為襯砌滲透系數(shù)，km為圍巖滲透系數(shù)，kg為注漿圈滲透系數(shù)，r為研究點的極距，r0為襯砌內(nèi)徑，r1為襯砌外徑，rg為注漿圈外徑，h1毛洞狀態(tài)下圍巖水力勢，h2襯砌后圍巖水力勢，H為遠場水力勢。

（1）隧道開挖后，襯砌前

將流向指向隧道內(nèi)的流量Q規(guī)定為正值，根據(jù)Darcy定律有Q1/2πr=kdh1/dr，考慮邊界條件r = r1，h1= 0， r = H，h1 = H，對上式分離變量，然后積分可得襯砌前流量：

將式（1）代入 Darcy 定律，可得毛洞狀態(tài)下圍巖水力勢

4解析解與數(shù)值解對比驗證

根據(jù)重慶石板隧道的工程情況，利用周長等效法將設(shè)計的五心圓隧道斷面等效為圓形斷面，取毛洞半徑 r1=7.14 m，為了分析注漿圈厚度對隧道水荷載的影響，沿隧道開挖面的徑向設(shè)置20層1m厚的注漿圈。

計算參數(shù)：計算模型中圍巖分為上下兩層，分別為T1j1和T1f4，km=2.2×10-6m/s，H=178，襯砌滲透系數(shù)考慮n=2、n=10、n=50、 n=100、n=200、n=500六種情況，考慮注漿，tg 為注漿圈厚度，n為圍巖滲透系數(shù)與注漿圍巖滲透系數(shù)之比，即 n= km/kg。

隨著注漿圈厚度增加，隧道涌水量隨之減小，在相同的注漿圈厚度下，注漿圈滲透系數(shù)越低，隧道涌水量越小，可見，施作注漿圈是防治隧道涌突水的有效措施，并且可以通過調(diào)整注漿圈厚度和滲透系數(shù)控制隧道涌水量;當(dāng) n≥50 且 tg≥8m 時，無論是減小注漿圈滲透系數(shù)還是增加注漿圈厚度，對減小隧道涌水量的作用效果已不明顯?？梢姡⒉皇亲{圈的滲透系數(shù)越低、厚度越大對隧道涌水量的控制效果越好，而是存在相對經(jīng)濟合理的參數(shù)值。

5結(jié)論

（1）依據(jù)軸對稱滲流理論，得出了軸對稱條件下圍巖壓力、襯砌滲流力與隧道襯砌前后涌水量的計算表達式。通過對襯砌滲流力積分得出了作用在襯砌上的水壓力可取為襯砌背后圍巖中的孔隙水壓力。

（2）基于軸對稱解析解，得出襯砌水壓力折減系數(shù)對襯砌與圍巖相對滲透性 n 最為敏感，襯砌的滲透性是決定水壓力折減系數(shù)大小的主要因素。

（3）注漿的主要作用是控制地下水排放流量，對于水壓力的“卸載”與否要取決于襯砌的滲透性。當(dāng)襯砌具有一定透水性時，圍巖注漿既能限制地下水排放又能降低襯砌水壓力。

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