（岩土工程专业论文）隧道结构水压折减及相关问题研究.pdf

y 弓7 s s 7 王 ! ! 查奎翌叁兰生! ! 堡! ：堂竺丝皇! 堕墨 摘要 f 外水压力取值是隧道结构设计中的重要问题。但长期以来对隧道 结构水压j 的研究尚未成熟，在实际隧道结构中如何确定合理的设计 水荷载，至今仍未达成共识本文从实测资料分析、理论分析和数值 分析三个角度对隧道结构水压力及相关问题进行了研究。 通过总结各工程部门对地下结构外水压力所持的观点，分析大量 室内模型试验和现场实测资料并进行理论推导，得出了渗流情况下影 响水压折减系数的四个参数，分别为围岩渗透系数、衬砌混凝土渗透 系数、衬砌厚度和隧道排水量。同时定性分析了以上四个参数和水压 折减系数之间的关系，并分析了排水条件下渗流体积力对围岩稳定性 的影响。 利用本文编制的渗流计算程序并结合2 d f l o w 渗流分析程序，通 过数值分析得出了水压力与上述四个参数之i b j 的关系曲线，水压折减 系数与上述四个参数之间的回归公式。( 同时分析了几种地层条件下隧 道开挖对围岩渗流场的影响，探讨了隧道采用混凝土自防水时抗渗标 号的合理选择问题。提出了一种构造控制的排水思想，该思想的核心 是完全靠排水管的直径和布设间距来控制排水量从而达到排水减压 的日的。 对北京城轨交通1 4 标穿越护城河段区间隧道和琼州海峡铁路隧 道两个。i ：程实例进行了数值分析，得出了一些有益的结论。 关键词：地下水压力，水压折减系数，渗流，构造控制排水 北方交通人学申请硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg r o u n d w a t e rp r e s s u r ei si m p o r t a n ti nt u n n e ls t r u c t u r ed e s i g n b u t l i t t l er e s e a r c hh a sb e e nc o n d u c t e do nt h en a t u r ea n de f f e c t sm a d eb yi ti na c o n s i d e r a b l el o n gp e r i o d t h ea g r e e m e n to nh o wt or e a s o n a b l ys e l e c t d e s i g ng r o u n d w a t e rl o a dh a sn o tb e e n r e a c h e di nt h ec u r r e n tt u n n e l s t r u c t u r ed e s i g n s t h i sp a p e rs t u d i e st h eg r o u n d w a t e rp r e s s u r eb yt h r e e a s p e c t s ：d a t aa n a l y z i n go fl a be x p e r i m e n t sa n di n s i t um e a s u r e m e n t s ， t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a lm o d e l i n g b ys u m m a r i z i n gt h ev i e w p o i n t so fd i f f e r e n te n g i n e e r i n gd e p a r t m e n t s ， a n a l y z i n gt h ed a t ao fl a be x p e r i m e n t sa n di n s i t u m e a s u r e m e n t s ，i n a d d i t i o nt ot h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f o u rp a r a m e t e r st h a ta f f e c tg r o u n d w a t e r p r e s s u r eu n d e rt h ec o n d i t i o no fs e e p a g eh a v eb e e nf o u n do u t t h e ya r et h e p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fs u r r o u n d i n gr o c k ，t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t o fl i n i n gc o n c r e t e ，t h et h i c k n e s so fl i n i n ga n dt h er a t eo fw a t e ri n f l o w i n g i n t ot h et u n n e l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r o u n d w a t e rp r e s s u r ea n dt h e p a r a m e t e r sh a sb e e nq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e d i na d d i t i o n t h ei n f l u e n c eo f s e e p a g eo nt h es t a b i l i t yo fr o c km a s s e su n d e rt h ec o n d i t i o no fd r a i n a g e h a sb e e na n a l y z e d b yn u r n e r i c a lm o d e l i n gt h er e l a t i o nc u r v e sa n dr e g r e s s i v ef o r m u l a e b e t w e e nt h eg r o u n d w a t e rp r e s s u r ea n df o u rp a r a m e t e r sm e n t i o n e da b o v e h a v eb e e nr e a c h e d t h er e s u l t st h a tt h es e e p a g ef i e l di nr o c km a s s e s a f f e c t e db yt u n n e le x c a v a t i o nh a v eb e e ng i v e n t h ep r o b l e mo fh o wt o c h o o s el h ea n t i s e e p i n gg r a d eo fc o n c r e t er e a s o n a b l yh a sb e e ns t u d i e d i na d d i t i o n a ni d e ao fc o n s t r u c t i o n c o n t r o l l e di n f l o wh a sb e e np u t f o r w a r d t h ee s s e n c eo f t h i si d e ai sc o n t r o l l i n gt h er a t eo f w a t e ri n f l o w i n g i n t ot h et u n n e lo n l yb yt h ed i a m e t e ra n dt h es p a c eb e t w e e no fd r a i n p i p e s t w op r a c t i c a lp r o j e c te x a m p l e sh a v eb e e na n a l y z e db yn u m e r i c a l m o d e l i n ga n ds o m ev a l u a b l er e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d k e yw o r d s ：g r o u n d w a t e rp r e s s u r e ，r e d u c t i o nc o e f f i c i e n to fg r o u n d w a t e r p r e s s u r e ，s e e p a g e ，c o n s t r u c t i o n c o n t r o l l e di n f o w 些塑奎堕苎兰生堕堡! ：兰堡堡茎 一兰二兰堕堕 第一章绪论 1 1 问题的提出和现实意义 地下1 程在没计、施工和运营过程中，往往受到地下水的影响。地下水 是地下工程丌挖、运营及维护中诱发灾害的主要因素之一。大量的论文和研 究都涉及到这个问题。早在1 9 8 5 年，我国就在柳州局金城江地区召开隧道 病害综合整治技术审查会，共同探讨隧道病害的防治对策，世界上，国际隧 协( i t a ) 和西班牙隧协( a e t o s ) 把“水与隧道”作为1 9 8 8 年马德里国 际会议的主题，显示了地下水问题对于地下工程建设的重要性。1 9 9 4 年在 丌罗举行的国际隧道工程会议上，“隧道和地层条件”是会议的主题，很重 要的一个方面就是考虑了地下水的存在对地层的影响。1 9 9 6 年在华盛顿召 开的北美隧道年会及第2 2 届国际隧协大会，会议的主题是“可持续发展”， 其中一个主要议题就是在设计中如何考虑地下水的作用对隧道工程可持续 发展的影响。1 9 9 8 年在巴西举行的国际隧道会汉上，大量提交的论文仍是 关于地下水问题的论题，证明了地下工程中水问题的长期性和艰巨性。 地下工程的实践表明，与一般地面结构相比，地下结构的受力较为复杂， 一般来说，作用在浅埋地下结构上的荷载主要有：土压力、水压力、结构自 重、地面荷载、地层反力、运营荷载、地震荷载等。处于地下水位以下的地 f 结构，需要考虑水压力。地下结构的水压力就是地层中孔隙水压力，在已 有的土力学文献中通常考虑按计算点以上的全部水头的静水压力来计算， 即： p 。= ( 1 1 ) 式中：p 。为水压力( m l 1 t 2 ) y 为水的容重( m l 。2 t 2 ) 日为计算点至地下水位线的距离( l ) 利用公式( 1 - 1 ) 来计算地下结构所受的水压力，实质上是认为处于岩土 体中的地下结构所受的水压力与处于纯粹的水介质中的结构所受的水压力 是相同的。那么事实是否如此呢? 实际上影响地层中水压力的因素是极其复 北方交通人学申请硕士学位论史 第一章 绪论 杂的。地下结构建造以前，建筑场地中的水压力分布与地下水位、地层的渗 透性等很多因素有关，比如：岩体中的水压力与土体中的水压力分布差别是 很大的。地下结构建造过程中，由于施工方法的不同，会使孔隙水压力发生 增大或减小的变化。地下结构建成后，由于改变了原来的渗流场，势必造成 地层中的水压力重新分柿。 在实际地下结构设计中如何确定合理的设计荷载，仍未达成一致性结 论。工程界和学术界对外水压力是否应该折减一直有着不同的看法，现场实 测的结果也不一致，有的有较大折减，有的则没有明显折减，而能否折减对 地f 结构的影响很大。 目前，在许多工程设计中，仍沿袭传统保守的做法：取全部水头的静水 压力作为计算水荷载，这种做法固然是偏于安全的，但由于脱离实际情况， 在地下结构设计中时常会造成不必要的提高工程造价。基于此，对地下结构 上水压力进行深入的研究是必要的，具有重要的意义。 1 2 相关研究评述 1 2 i 水压折减系数“” 埋置于地下水位以下的结构，除受土压或围岩压力以外还要承受水压， 这个水压力是否象处于自由水体内的结构那样处处等于静水柱的高度还是 应小一点，工程界常将实际地下水位的水压乘上一个小于l 的系数来实现， 这个系数就叫水压折减系数，用符号表示。 文献【7 把水压折减系数表达为三个系数的乘积： = 届：屈 ( 1 2 ) 其中i 足反映外水压传递过程的损失，2 是考虑结构处于岩土中，水 对结构作用面积的减少，3 是反映排水卸载情况的水压降低，三个因素中 有外水传递过程造成的损失j 和考虑水作用面积减少的面积系数2 ，这两 者对外水压是否折减的影响是很小的，可以忽略不计，影响最大的是反应水 卸载情况的3 ，如果在衬砌外采取排水措施使水处于流动状态，就象打开 自来水龙头的水管一样，自上游至下游水压力逐步降低，可见水压折减主要 ! ! 塑奎望查堂堂堕堡! ：兰些堡茎 笙二里! l 鱼 是水动力学的原因造成的。 折减系数值采用三个系数表达的观点在文献 4 d p 也有论述，不同的是 把口，定义y , j 反映地下水位变化的系数，称之为变幅系数，其值可能大于或 小于1 ，而且可以主观的加以调整，当勘测资料不足时调整幅度可大些；2 是外水压力作用面积系数，这个系数是实际反映衬砌混凝土与围岩接触面积 的，如果1 0 0 的紧密结合，水渗不到两者的界面中去则不予考虑，实际情 况在施工现场很难做到这一点，常常是完全或大部分不能紧密接触，所以一 般设计中大都取卢2 = l ：3 则是指渗流水头损失的影响，这个值潜力最大， 只要在衬砌外壁加设导排水盲沟，外水压就会取得可观的下降。 尽管两人对- 的解释稍有差异，但都一致认为水压折减的主要原因是 排水卸载，采取定的导排水措施并保证其畅通，使水处于流动状态就可以 使结构外壁的孔隙水压获得一个长久而稳定的降低，这个降低后的水压p 。 ( m l 1 t 。) 与原静水压p 。( m l 。t 。2 ) 之比就是水压折减系数，记作： 8 ：坠 p 。 1 2 2 各部门地下结构水压力的计算方法及相关研究 ( 1 3 ) ( 1 ) 铁道部门和公路部门 铁道部门和公路部门的地下工程主要是铁路隧道和公路隧道，在设计 时是不把外水压力做为外荷载考虑的，其原因是对地下水的处理，在铁路隧 道设计规范t d j 3 8 5 的条文说明中做了明确的说明：“地下水作用在隧道衬 砌上的压力亦属主要荷载，但由于铁路隧道采取防截排堵结合，基本上消除 了作用在衬砌上外水压力，通常可以不考虑此种荷载，故本规范未列”。铁 路隧道设计规范t b1 0 0 0 3 9 9 仅指出对围岩级别应考虑地下水的状态进行 修正，没有明确规定在结构荷载计算中如何考虑水压力。 公路隧道和铁路隧道一样也不把外水压力视作外荷载，详见“公路隧道 设计规范j t j 0 2 6 9 0 ”。但是我国国家标准地下铁道设计规范g b s 0 1 5 7 9 2 中明确规定在永久荷载计算中考虑地层的静水压力，地层压力应根据结构所 处的工程地质和水文地质条件、埋置深度、结构形式及其工作条件、施工方 法及相邻隧道间距等因素，结合已有的试验、测试和研究资料，按有关公式 北方交通人学申请坝l 学位论文 第一章绪论 计算。图1 1 是在我国普遍采用的浅埋圆形隧道地层压力计算简图【8 】。静水 压力径向作用在圆形隧道的衬砌上，静水压力值沿拱圈逐渐变化，在拱顶最 小，底部最大。 翎 弹性抗 7 7 r _ 7 7 r 万百7 7 广一 弘 口 工 口】工凸 宜国 上动上擅山口丁工工 口工d 图卜1 浅埋圆形隧道地层压力示意图 ( 2 ) 市政部门和民用与人防部门 城市市政设施有水池、泵站、管渠等地下和半地下结构，他们更关心浮 力问题，关于浮托力能否折减直也有过争论，到8 4 年编制“给排水工程 结构设计规范g b j 6 9 8 4 ”时在第2 2 1 2 条中关于浮托力的计算中加上了一 项浮托力折减系数，记作叩。规定仅限于完整基岩地区可以考虑，但没有 给出具体的折减值。 民用与人防工程包括地下室、地下商场、地铁车站、人防通道、人防掩 蔽所等工程，这些工程大都可供人在其内活动或生活，一般对通风、照明、 温湿度等环境要求较高，对渗水量控制严格。这些工程的外水压力均做为主 要荷载考虑而且都不折减，北京城建院承担的北京和上海地铁的有关车站， 作为使用阶段的外水压力，无论是洪积层( 沙层为主) 还是冲积层( 如软粘 土) 均按当地静水位计算，外水压力不予折减。 为探明在不排水条件下，作用在广州地铁车站上的水压力分布情况，文 献【5 和文献【6 均做了室内模型试验，其出发点和目的是一样的，但结论却没 有达到一致。文献f 5 】通过试验分析认为：对处于浅埋的民用地下结构，即使 象上海地区那样的粘性土地层中也无法保证可以阻断它们的水力联系，因而 在不采取任何排导措施的情况下，结构上的水压力是不能折减的；而文献【6 】 通过室内模型试验和现场水压力实测认为：广州地铁结构设计可按照表1 i 北方交通人学中请硕i - 学位论文 第一章绪论 中水压力折减系数进行不同土层中水荷载计算是可行的。 表1 - 1j l 州农讲所地铁车站水压力折减系数建议值6 】 十= 层类别杂填士淤泥砂土粘土强风化岩 y d k l 0 + 3 6 4507 2 70 6 3 60 8 7 80 4 5 9 y d k l 0 + 4 1 0 50 6 5 30 8 6 90 5 8 9 平均值 0 7 2 7 0 6 4 40 8 7 4o 5 8 904 5 9 同本建筑基础结构设计规范中的建议方法相当于在通常计算法中只 计入部分静水压力，砂土地基约为5 0 7 0 ，硬粘土约2 0 5 0 ，软粘土约 3 0 - 5 0 。文献 2 6 1 9 i 用的同本建设杂志1 9 7 4 年8 月刊登的“侧压力计 算问题”一文，根据对土中孔隙水压力的实测结果进行分析认为：在一定深 度范围内，孔隙水压力只是静水压力的6 5 左右，而且在该深度以下水压力 基本上是常数，或有减小的趋势。法国的地铁设计中，当在砂、卵石地层中 时仅考虑6 0 的静水压力作为设计水荷载。可见国外一般只采用部分静水压 力作为设计水荷载进行设计计算。 ( 3 ) 水利部门 国内水利部门对水压力的研究比较集中，他们针对水工隧洞的受力特点 展开了一些工作。早在6 0 年代我国水工结构计算中就有关于水压折减系数 的规定。1 9 6 6 年“水利水电部水工隧洞暂行规定”对水压折减系数在附录二中 做了详细说明： “外水压力的大小，t t r d n 1 ；十算水位线以下的水头表示。这个计算 水位线与隧洞沿线地下水位线不同。计算水位线以下至隧洞底板的水柱高乘 以相应的折减系数( ) ”。“折减系数( ) ，这是一综合指标，主要 考虑地下水渗流过程的水头损失以及其他排水、补水条件等的影响，因而使 作用于衬砌上的外水压力低于地下水位线的水柱压力”。 这是我国关于外水压折减见诸规范条文的最权威的论述，多年来水工部 门在水工隧洞设计计算中也基本上是这样采用的。就是这段早在6 0 年代的 叙述，对水压折减系数的概念远比后来有些人的理解更为准确：1 ) 水压的 北方交通人学中请坝士学位论文 第一章绪论 大小，用计算水位线以下的水头表示，而计算水位线不同于隧洞沿线的地下 水位线；2 ) 折减系数，主要是由渗流过程的水头损失及其他排水、补水 条件决定的，这罩等于明确指出了折减是地下水动力原因造成的；3 ) 是 一个综合指标，它的选用应综合水文地质特点及工程防渗、排水措施分析选 择：4 ) 强调了设计混凝土衬砌时的选取应考虑围岩裂隙发育程度及有无 内水压力等诸多因素。 1 9 8 0 年6 月，文献 1 明确提出了地下水压力实际上是在渗流过程中渗 透水作用在围岩和结构上的体积力，也即渗流场力。之所以将地下水压力视 做体积力是因为：水工隧洞的围岩和衬砌都是透水介质，水流通过这些介质 后形成稳定的渗流场，然而尽管衬砌的渗透系数很小，但仍然是渗水的。在 给定边界条件下，水在透水介质中形成渗流势场h ( x ，y ，z ) ， h ：卫+ z ( 1 - 4 ) y 式中：p 为水的压力( m l 。t 电) ，y 为水的容重( m l 。2 t 一2 ) ，z 为所研究点的 竖向坐标值( l ) ，以向上为下。 水在渗流过程中由于水压力的梯度而产生渗流体积力或者称为渗流场 力。渗流场力沿x 、y 、z 方向的分量可用下式表示： fa 卜2 一，瓦 i 六= 0 即：与水力势梯度成比例的渗透力s ，及浮力 f册 一2 一，瓦 l = 0 ( 1 6 ) 隧道结构的水荷载是以体积力的方式作用于地下水位以下的整个空间， 包括围岩和衬砌。由此看来，衬砌所受到的水荷载应该是体积力而不是面力。 文献 2 6 】认为，如果衬砌完全防水时，所受水压力就是静水压力，此时的水 5 y + 锄一缸砌一砂砌一出 7 7 7 一一 = = 印一缸印一钞印西 一 1 i = 1 i p p p 锄一瑟 丫 y = = 巳六，rj【l 北方交通大学申请硕i 学位论文 第一章绪论 压力为面力，可按公式( 1 - 1 ) 进行计算。而实际上尽管混凝土衬砌渗透系 数很小，但仍然是渗水的，只要渗水，衬砌受到的水压力就应该是体积力。 为了比较和计算的方便，作者按照静力等效的方式，将渗水情况下作用在衬 砌上的体积力转化为作用在衬砌外表面的等效面力，计算结果表明：当只存 在沿隧道径向一维渗流的条件下，衬砌所受到的渗流体积力的等效面力在数 值上等于衬砌背后的水压力。对于交通隧道，其渗流条件可以近似认为是沿 隧道径向一维渗流，因此，可以用衬砌背后的水压力来计算衬砌所受的水荷 载。但是此处要澄清的是：衬砌背后的水压力并不等于计算点的水柱高度与 水容重的乘积( 在此称为静水压力) ，而是等于计算点处测压管水头高度与 水容重的乘积。 1 9 8 4 年水电部修订的水工隧洞设计规范s d l 3 4 8 4 1 1 1 , 1 2 ) ，对外水压在 第6 2 6 条中做了如下的描述： “第6 2 6 条确定地下水压力时应先根据水文地质条件和工程伟置， 并考虑工程投入运营后可能引起的地下水位变化等因素，分析确定地下水位 线；地下水压力实际是在渗流过程中渗透水作用在围岩和衬砌中的体积力， 有条件时可通过渗流分析决定相应的水荷载；对一般水文地质条件较简单的 隧洞，可采用地下水位线以下的水柱高乘以相应的折减系数的方法，估算作 用在衬砌外缘的地下水压力。” 1 9 8 4 年水工隧洞规范的修订，表明了关于水压折减问题取得了相当的共 识，无论从基本概念还是具体作法上远比6 6 年的规范更为深刻也更为准确。 水工部门对这个问题如此关心除了水工结构本身的重要性之外，主要还在于 水工隧洞、地下水电站等工程大都修建于岩石之中，衬砌外部往往构筑排水 措施，或者衬砌常有一定渗漏并设有内排水措施。 1 2 3 大瑶山隧道“底鼓”和长委界面接触试验的启示“” 虽然铁路隧道由于采用防、排、堵、截的原则是不把外水压力当作荷载 考虑的，但大瑶山隧道是个例外。大瑶山隧道通过的f 9 断层带长达几十米， 呈破碎结构、岩溶发育、涌水量大，水头平均高达6 0 0 米左右，采用在困岩 5 米厚度的范围内注浆堵水，并令该注浆固结圈与衬砌共同承受水压和地压。 施工后作为结构的整体稳定性是良好的，但没有解决水的渗透，孔隙水沿着 没有堵塞的缝隙渗入到围岩与衬砌的交界面薄弱处使其承受很大的水头，甚 ! ! 查窒望查兰生! i 堡! ：兰焦堡皇一- 登二宴j 量鱼 至可与静水头6 0 0 m 大体一致，最后导致“底鼓”的破坏，见图1 2 ，水大量 涌出。 长江水利规划委员会为探讨消能池的抗浮问题，在一块完整的基岩上浇 注混凝土观察两者之间界面的结合情况，结果发现7 5 的混凝土与基岩结合 不好，只有2 5 做到了紧密结合，也就是说在理想的试验条件下也才仅仅达 到1 4 的紧密结合，而有3 4 的范围地下水是可以渗入的。 这两个例子给我们很重要的启示： 1 ) 注浆堵水并将注浆固结圈考虑与围岩共同承担外荷载( 地压和水压) 可以满足结构的整体稳定性，但不能保证孔隙水渗入到两者界面薄弱处形成 高水压而“鼓破”。 2 ) 在理想的条件下衬砌与围岩的紧密结合率往往很低，大部分不能做 到紧密结合，在条件恶劣的旄工现场更难实现，何况注浆是“暗”作业，几 乎无法判定注浆后的堵实率。 3 ) 比较科学合理的做法是既要注浆又要适当排水，注浆形成的固结圈 不仅可以与衬砌共同作用且可以大大减少渗水量，有限的渗入界面薄弱处的 孔隙水又通过排水设施排走，排水量不大又不至于形成高压水的鼓破。 图1 - 2 大瑶山隧道底鼓示意图 综上所述，关于地下结构水压力大小的确定，国内外学者曾经做过一些 工作，但由于仅限于少量的理论分析和定性讨论以及一些零散的实测资料， 没有得到系统的总结，对地下结构的水压力的研究还不够深入细致，目前还 没有达到一个统一的认识。 北方交通大学申请硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本文的研究思路及其它各章安排 1 3 1 本文的研究思路 以作用在隧道结构上的水压折减问题为研究主线，从室内模型试验和现 场实测资料分析、理论分析和数值模拟三个方面进行研究。着重研究渗流情 况下隧道结构水压折减问题，得出影响水压折减系数的几个参数及其与水压 折减系数之j 日j 的关系。同时研究与地下水相关的其他几个问题：( 】) 隧道开 挖对围岩渗流场的影响；( 2 ) 提出一种构造控制的排水思想；( 3 ) 混凝土衬 砌自防水问题中抗渗标号的合理选择问题；( 4 ) 工程实例分析。 1 3 2 研究内容在以下各章的安排 第二章引用大量的地下结构水压力室内模型试验和现场实测资料，通过 对比分析，从实测的角度找出影响隧道结构水压力的主要因素。 第三章运用地下水动力学理论，对加设排水设施和渗水情况下隧道结构 上的水压力进行理论分析，得出简单情况下影响隧道结构水压力的主要因 素，并分析在渗流体积力作用下的围岩稳定性问题。 第四章利用编制的渗流计算程序并结合2 d f l o w 渗流分析程序，研究复 杂情况下隧道结构的水压折减问题及与地下水相关的其他问题。包括：( 1 ) 隧道结构在排水和渗水情况下衬砌厚度、衬砌渗透系数、围岩渗透系数、排 水量等因素对衬砌水压力折减的影响；( 2 ) 隧道开挖对围岩渗流场的影响； ( 3 ) 混凝土衬砌自防水问题中抗渗标号的合理选择问题；( 4 ) 提出一种构 造控制的排水思想，该思想的核心是不采用任何闸阀控制装置，而是完全靠 排水管的直径和布设间距来控制排水量从而达到排水减压的目的。 第五章以琼州海峡铁路隧道和北京城市快速轨道交通工程1 4 标穿越护 城河段区间隧道两个工程实例为工程背景分析隧道工程中的地下水问题，包 括：( 1 ) 隧道开挖对周围渗流场的影响；( 2 ) 注浆开挖和不注浆开挖的对比 分析；( 3 ) 采用混凝土自防水情况下各抗渗标号混凝土的渗水量计算；( 4 ) 琼州海峡铁路隧道两种方案的对比分析。 第六章对所研究的问题进行总结，指出研究中存在的问题及未来的研究 方向。 些立至望查堂堂堕堡：兰兰堡堡壅 笙三皇! 坚堕塑查堡望兰型塑型坌旦 第二章地下结构水压力实测资料分析 2 1 室内模型试验资料分析 2 1 1 室内模型试验j 文献f 5 1 对砂土和枯土做了不排水条件下水压能否折减的室内模型试验。 试验所采用的模型如图2 1 所示。 模型材料选用钢材，底面积为6 0 0 6 0 0 r a m 2 的正方形，高1 0 0 0 m m ， 为了防止影响试验精度，壁板选用8 m m 厚钢板，下部- - 俱j j 开有一个直径为 3 0 0 r a m 的圆孔，供试验后排放砂土介质用，试验时该圆孔是用法兰盘密封 的。模型上部顶板处也开有一个直径为3 0 0 m m 的圆孔，用于添加砂土介质 和注水，该孔也设有一个可以密封的法兰盘，试验如需要加大水压，只需在 法兰盘中间的开孔处接一个水管，将水头提高即可。模型的两侧，自上而下 的在高度为1 0 0 m m ，4 0 0 m m 和8 0 0 r n m 处开有直径为1 0 m m 的小孔，供安 装测压管用，见图2 一l 。小7 l 内部贴有透水石，以保证只有水可以渗透而任 何砂土介质均不能透过的试验要求。测压管自下向上分别叫做左下、左中、 左上、右下、右中、右上，两边的孔是对称的以便于校核和取平均值。规定 下孔中心线的高程为0 ，中孔、上孔则为3 0 0 r n m 和7 0 0 m m 。 图2 - j 模型及测压管布置示意图5 试验采用中砂和粘土两种介质分别进行，之所以选用这两种介质是因为 砂土孔隙率大，孔隙水连通性好，粘土则正相反，这样两种性质完全不同的 材料如果在试验中能得到一致结论，那么试验结果将具有较好的代表性和说 北方交通人学申请硕上学位论文 第二章地下结构水压力实测资料分析 服力，如果结论不一致，还可选取介于上述两种介质之间的某一种介质做补 充试验。 砂土取洁净河砂，其颗粒级配示于表2 - l 。 表2 - 1 试验用砂土颗粒级配1 5 1 粒组含量 十样 类别砾粒砂粒 d l o 0 6 0g 名称 粗细程度中 细 粗 由 细极细 筛孔直经 ( r n m ) 】o 一55 22 0 50 5 0 2 5 o 2 5 0 1 q d 补给量等于排水量q 。= q d 补给量小于排水量q 。 前懈，7f f in 1 刁卦、 r j 。如一加 。j l 一1 1 4 仃1 0 0 40 3 1 1 1 图5 - 8 隧道建成后全水头分布幽( 单位：米) 5 1 3 各抗渗标号下隧道渗水量 如果该段区间隧道采用混凝土自防水，设衬砌厚度为3 0 c m ，通过计算 得到了在各种抗渗标号下每天l 米长隧道的渗水量，见表5 3 。 表5 - 3 不同抗渗标号所对应的渗水量表( 单位：i m d ) 抗渗标号s is 2s 4s 6s 8s l os 1 2s 1 6s 3 0 小注浆情况下 l5 278 l37 225 3l3 9o 7 205 3o3 500 8 3 涌水量 沣浆情况f 1 4369 930 82l2l2 80 6 905 l03 500 8 3 涌水量 5 1 4 排水减压分析 图5 9 给出了注浆情况与不注浆情况f 隧道拱顶一点处的水压力与排水 量之间的关系曲线。从图5 - 9 可以看出，在相同的排水量下，注浆情况比不 注浆情况下水压力降低幅度要大，说明注浆止水减压效果是显著的。 图5 一j o 给出了注浆情况与不注浆情况下，隧道排水量为8 】m b 时衬砌 上水压力分布，同时给出了全防水情况下的水压力分布。从图5 1 0 可以看 1 1 韭塑銮望查兰皇堕堕主兰垡堡壅 墨至兰三! 墨型翌! ! 塑 出，只要有一定的排水量，隧道周边水压力就能够有效的降低；在相同的排 水量情况下，注浆比不注浆时隧道衬砌周边每一点的水压力都小，表明注浆 对降低衬砌上的水压力的作用是非常显著的。 图5 9 排水最与拱项处水压力关系曲线 全防水情况下水压力 17 无注鼗时捧水量为 8 1 h m 时的水压力 37 有注浆时捧水量为 一8 l 叽时的水压力 北压力单位：米水头 图5 10 全防水与控制排水隧道结构上所受水压力比较图 北方交通大学申请硕士学位论文 第五章工程实例分析 5 2 1 工程概况 5 2 琼州海峡铁路隧道 随着海南经济的飞速发展，琼州海峡的越海客货流量越来越大，现有的 越海交通工具远远不能满足要求，因此必须修建一条永久性跨海通道。根据 收集的大量琼州海峡的气象、水文、地质、地震等资料的基础上，文献 2 9 1 提出了修建琼州海峡铁路隧道的建议。经过跨海线位和隧道形式的论证比 较，提出采用盾构方案为最佳方案，而盾构方案又有深埋和浅埋两种形式， 图5 一1 1 给出了深埋方案隧道的纵剖面图及地质剖面图，由图5 一1 1 可以看出， 跨海段地层自上而下依次为淤泥层、第一粘土层、粉土质砂层和第二粘土层。 浅埋方案隧道在跨海段位于第一个粘土层( 与深埋情况类似，再此未画出隧 道纵剖面) ，深埋方案隧道在跨海段位于第二个粘土层。考虑到如果隧道位 于第二粘土层，其上部的第一粘土层可以起到一定的隔水作用，因此文献 2 9 1 初步认定深埋方案优予浅埋方案。究竟是深埋好还是浅埋好，本文通过程序 计算分析，进行比较，从而为琼州海峡的建设提供一些有益的数据。 宣 斗一! 十 雎遣避口t o 畸勘 - 鼙井t l l , l l , 爿e _ 遣出廿佛膏- ) 坶肢地层山第四秉( q ) 和上第三秉( n aq 的覃魔从几米虮十表主薹为 化玄黜蕾柱帖中柑砂鲁屡分布不蝰 垃曩曩况 蛙n ：主舞为犀层牯和精土质魄蘑扭赢年裹选抽o m 以上- 轱土为可生誓掣潇土曩砂如中蕾鼍赛托奠越黼 段士墓埋设f n ：蔓二牯土屉中睫蔓虽碰状；主，膏囊青e w m e n w 一三l 蠢一曩i 雌丈后一蛆活动曩积 地面标膏 ，? f p r ，。，中：? 孰面标膏 l b hi 翳l 1 1 1 1 1 i i 量程 呷p。p 。p 。产。t 设计垃度) j ；卜o 1 ：卜之、f 力0 - 墨i 一 平圈蛙弗 一 北方交通大学申请硕士学位论文 第五章工程实例分析 圈钳 风化玄武岩( 也q j ，节理发育 b第四纪沉积的辩泥，轱土，榜土质砂秽( q ) c牯土，灰熏色。可蔓- 硬曼状。台贝壳及砂层州 d榜土质砂。灰色，中密- 密蛮，舍俘蜃培援洲d e粘土，灰色，可塑- 硬墨- 坚理状怔液曩删0 f l 粉土质砂及粘土互层d u 图5 - 1 1 琼州海峡铁路隧道盾构方案纵剖面囤 里一! 三1 4 图5 1 2 琼州海峡铁路隧道质构方案隧道横剖面图 浅埋方案和深埋方案的隧道剖面图及地层中土性层分布见图5 1 3 。地 层自上而下各层渗透系数见表5 4 。 表54 地层渗透系数( 地层自上面下编号) l 地层编号1 层 2 层 3 层4 层 5 层6 层 i 渗透系数3 5 1 0 4 6 x 1 0 6 7 】o 。 4 9 1 0 6 5 1 0 3 6 1 0 6 - 8 0 - 北方交通大学申请硕士学位论文 第五章工程实例分析 海底面 淤泥、粘土、粉土质砂 酉o0 曼 粘土，可塑刭硬塑状 浅埋方案 粉土质砂，中密密实 00 飞厂一 i 粘土可童一硬塑一坚硬状 深埋方案 粉土质砂及粘土互层 图5 1 3 隧道剖面及层分布图 5 2 2 深埋方案与浅埋方案的数值分析及比较 取隧道上方水头最高点断面作为计算断谣，计算模型及网格剖分情况如 下图所示。 图5 - 1 4 计算模型及网格剖分 北方交通大学申请硕上学位论文第五章_ t 程实例分析 佬器- - 辩夕 7 鸯、n ) 、 义心s 乏彩， 图5 - 1 5 浅埤方案涌水时压力水头等值线图( 单位：米) 从图5 - 1 5 中可以看到，当隧道涌水时，洞周的水压力急剧降低，几乎 为零。但靠近隧道洞周的围岩中等势线密集，水力梯度很大，围岩的稳定性 将受到影响。 经过计算，在不采取任何堵水措施开挖时，浅埋隧道和深埋隧道涌水量 比较见表5 5 。 表5 - 5 浅埋隧道和深埋隧道涌水量比较表( 单位：l m s ) 主隧道服务隧道 浅埋情况 5 4 4 2 6 1 深埋情况2 4 4j 2 3 从表5 - 5 可以看出，在不采取任何堵水措施进行隧道开挖时，浅埋情况 下的主隧道涌水量是深埋情况下主隧道涌水量2 2 3 倍。当然，在实际施工 过程中，应该采取相应的地下水处理措施，解决因水引起的问题，但通过上 述计算，可以看到，深埋情况下由于其上有相对的隔水层，因而其涌水量相 对而言要小的多，可见，深埋情况下单就水问题而言，是优于浅埋情况的。 从图5 - 1 6 可以看出，如果不采取排水措施时，深埋情况下，隧道拱顶 衬砌上的水压力将达到1 8 m p a ，而浅埋情况下为1 3 m p a 。如果隧道采取排 水减压措施时，深埋情况下的水压力曲线较浅埋情况下陡很多，表明深埋情 况下排水减压的效果要更明显，当排水量超过0 9 1 m s 时，在相同的排水量 ! ! 塑奎望查兰生堕堡主堂垡堡兰 笺墨兰三堡壅型坌堑 下，深埋情况下的水压力将小于浅埋情况。 0i234 排水量( 单位：l r a s ) 图5 1 6 深埋情况与浅埋情况排水减压情况比较曲线 通过以上分析，结合文献【2 9 的研究成果，将深埋方案与浅埋方案比较 汇总于表5 - 6 。 文献 2 9 】在没有做浅埋和深埋情况下的渗流场分析，定性地认为深埋方 案优于浅埋方案，本文经过深埋方案和浅埋方案的对比分析，从地下水压力 及地下水对施工的影响角度方面考虑，认为深埋方案的确优于浅埋方案，这 与文献f 2 9 】的结论是一致的。 黜m鲫如o 水*商一番)|弋出*鼙撼 北方交通大学申请硕士学位论文第五章工程实例分析 表5 - 6 深埋方案与浅埋方案比较表 浅埋方案深埋方案 隧道长度 3 27 k m3 85 k m 隧道最人埋深 1 3 0 m 一1 8 0 m 海底段最小覆盖 3 l m 7 0 m 主要为q 的粘土质砂、粉质粘主要为n 2 的粉士质砂、粘士及o 的 隧道北陆地质地段 t 及风化玄武岩 粘土质砂、粉质粘士及风化玄武岩 为n 2 的第一个粘土层，町塑 为n 2 的第二个粘土层，可塑硬塑状， 隧道海底地质地段 硬塑状，地层稳定性差 地层稳定性好 主要为n 2 的粉土质砂、粘土及q 的 隧道南陆地质地段主要为0 的粉质粘土及砂崖 粉质粘土、砂层 隧道自由排水时涌水量54 4 ( i m s )24 4 ( 1 m s j 采取排水时水压降低情况小丝著 显著 工程造价2 8 2 亿元人民币3 0 82 亿元人民币 工期( 估计)7 年7 年 - 8 4 北方交通大学申请硕寸j 学位论文 第六章结论与展掣 第六章结论与展望 6 1 结论 通过实测资料分析、理论推导、数值分析三个方面对隧道结构水压力 及相关问题进行的研究，得到了一些有价值的结论。 1 基于实测资料分析所得结论，通过理论推导，得出了在排水或渗漏水 情况下影响隧道衬砌水压力的五个因素为：1 ) 衬砌渗透性、2 ) 围岩渗透 性、3 ) 衬砌厚度、4 ) 排水量、5 ) 作用水头。同时得出了渗流体积力作用 下围岩中的应力分布，结果表明，渗流体积力对围岩的稳定性影响很大， 加之过量排水势必破坏生态环境，因此如果需要排水减压，应采取控制排 水方式。 2 通过所编制的渗流计算程序并结合2 d f l o w 渗流分析程序对隧道结构水 压力的数值分析，得出了衬砌水压力与衬砌厚度、衬砌混凝土渗透性、围 岩渗透性、排水量之间的关系曲线，并给出了水压折减系数与上述几个影 响因素之间的回归公式，结果表明水压折减系数与排水量成线性关系、与 衬砌厚度成近似抛物线型的二次函数关系。 3 提出了一种构造控制的排水思想，这种思想的核心是不采用任何的闸阀 控制装置，而是完全靠排水管的直径和布设间距来控制排水量从而达到排 水减压的目的，克服了闸阀控制水压排水的诸多弊端。同时绘出了构造控 制排水方法应用的具体步骤。 4 分析了隧道开挖对围岩渗流场的影响，得出了地层参数变化对地层中水 压力分布、水力梯度分布及涌水量的影响规律，对隧道旋工有一定的参考 价值。 5 对自防水混凝土衬砌，得到了不同作用水头下各抗渗标号混凝土衬砌的 渗水量，并给出了衬砌渗透系数与渗水量、抗渗标号与渗水量、作用水头 与渗水量之间的关系曲线。结果表明渗水量与衬砌渗透系数和作用水头均 成线性关系。 6 ，对北京城轨交通1 4 标过护城河段区间暗挖隧道进行了开挖前、施工中、 建成后的渗流场分析。结果表明如果不采取地下水处理措腌开挖隧道，涌 水量将很大，对施工不利。排水减压时，在相同的排水量下注浆比不注浆 情况下衬砌上的水压降幅大，表明注浆对降低衬砌上水压力的作用是显著 的。 北方交通大学申请硕士学位论文 第六章结论与展望 7 对琼州海峡铁路隧道盾构方案中深埋和浅埋两种方案进行了对比分析 结果表明深埋方案优于浅埋方案。 6 2 存在的问题及进一步的工作 虽然本文对隧道结构水压折减及相关问题从室内模型试验和现场实 测资料分析、理论推导、数值分析三个方面进行了研究，但是由于隧道结 构水荷载问题牵涉的因素很多，本文只是在较为理想的情况下进行了探讨， 因此，对上述问题的研究在许多方面仍然需要进一步的深入和完善，主要 表现在以下几个方面： 1 本文的理论推导是建立在理想假设上的，与实际情况有一定的偏差，因 此理论推导得出的结论只是对水压折减这一问题初步的定性的认识。 2 计算程序是针对等效连续介质中的饱和渗流情况进行的，没有考虑裂隙 渗流和非饱和渗流问题，也没有考虑渗流场和应力场的耦合问题，因此与 实际情况有一定差距。 3 由于时间所限，对构造控制排水的方法没有给出算例，对两个工程实例 的分析较现场情况相比尚有一定的理想化，并没有完全根据工程的实际情 况进行模拟分析。 北方交通人学申请蛳j 论文 参考文献 参考文献 f 1 张有天、张武功，隧洞水荷载的静力计算，水利学报，1 9 8 0 ( 3 ) 2 张有大、张武功，再论隧洞水荷载的静力计算，水利学报，1 9 8 5 ( 3 ) 3 】崔京浩等地r 结构外水压力综述，l ：程力学增刊，1 9 9 8 ( i ) f 4 1 潘家铮，芡t “隧洞水荷载的静力计算”一文的讨论，水利学报， 9 8 1 ( 5 ) 【5 】崔岩，地r 结构外水压试验研究及理论分析，中国矿业人学硕十论文，1 9 9 7 6 】夏开明，广州地铁潜水压力确定方法及其传递机理研究，阳南交通人学硕十论文 1 9 9 7 7 】董国贤，水p 公路隧道，人民交通出版社，1 9 8 4 【8 】夏明耀、曾进伦，地f ， 程致计施工手册，中国建筑工业出版社，1 9 9 9 【9 】中华人民共和国行业标准，铁路隧道设计规范t b1 0 0 0 3 - 9 9 ，1 9 9 9 ，北京