本發(fā)明涉及隧道水力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高水壓巖溶隧道襯砌水壓力計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，尤其是是對(duì)交通設(shè)施的建設(shè)的需求變得越來(lái)越迫切。我國(guó)幅員遼闊，以公路、鐵路為主的陸運(yùn)交通是交通運(yùn)輸?shù)闹髁鞣绞剑?008年國(guó)家鐵路局在修訂的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中預(yù)期在2020年全國(guó)鐵路的營(yíng)運(yùn)里程將達(dá)到12萬(wàn)公里以上，而2016年中國(guó)國(guó)家發(fā)改委在公布最新的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》表示截止2015年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)到12.1萬(wàn)公里，提前實(shí)現(xiàn)目標(biāo),并提出在此次規(guī)劃期2016至2025年間，截止到2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到17.5萬(wàn)公里左右，展望到2030年，基本實(shí)現(xiàn)內(nèi)外互聯(lián)互通、區(qū)際多路暢通、省會(huì)高鐵連通、地市快速通達(dá)、縣域基本覆蓋。在交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的串接和延伸的過(guò)程中，為提高路線線性標(biāo)準(zhǔn)，縮短里程，提高行車(chē)效率和安全性，勢(shì)必修建大量的里程長(zhǎng)埋深大的交通隧道。

在隧道建設(shè)乃至后期使用運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，隧道水害一直以來(lái)都是困擾國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者及建設(shè)者的難題。由于我國(guó)交通隧道水處理研究起步較晚，在高水壓富水層地區(qū)修建隧道工程中，對(duì)于突涌水問(wèn)題并不能很好的把握，甚至屢次發(fā)生重大安全事故，且對(duì)于已經(jīng)竣工運(yùn)營(yíng)的隧道，因受限于建設(shè)時(shí)期設(shè)計(jì)及施工的技術(shù)條件，普遍存在襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水的問(wèn)題。根據(jù)1997年鐵路隧道技術(shù)狀態(tài)檢查統(tǒng)計(jì)，在此前建成的5000余座隧道中，近70％遭遇過(guò)隧道水害，另有1502座即超過(guò)30％的隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中仍受水害影響。

隧道水害中，已建成運(yùn)營(yíng)的隧道滲漏水對(duì)隧道侵害尤為嚴(yán)重：首先，滲漏水裹挾圍巖中的侵蝕物質(zhì)使襯砌開(kāi)裂，膨脹變形，風(fēng)化剝落。寒冷地區(qū)，滲漏水會(huì)使邊墻結(jié)冰，拱頂掛冰，入侵建筑限界同時(shí)誘發(fā)襯砌凍脹，極大的破壞了襯砌結(jié)構(gòu)的承載力。且長(zhǎng)期滲漏會(huì)形成的透水通道和反復(fù)的凍融使得襯砌水害惡性循壞，愈演愈烈，導(dǎo)致襯砌變形，開(kāi)裂錯(cuò)臺(tái)，拱頂?shù)魤K甚至塌方；其次，滲漏水極大干擾了隧道內(nèi)部設(shè)施的正常使用，損害道床基礎(chǔ)，使基底裂損，路基下沉，大量涌水導(dǎo)致的翻漿冒泥及在高寒地區(qū)的凍脹均會(huì)導(dǎo)致鐵路線起伏不平和路軌距水平變形超限，影響線路穩(wěn)定。同時(shí)，隧道滲漏水會(huì)加速內(nèi)部諸如鋼軌，照明，通訊，通風(fēng)，排水等設(shè)備的正常使用，縮短壽命，增加維護(hù)維修費(fèi)用等運(yùn)營(yíng)成本。特別是潮濕和銹蝕的鐵軌會(huì)降低輪軌間的粘著力，造成機(jī)車(chē)牽引力的降低，列車(chē)減速甚至中斷正常行車(chē)。總之，隧道滲漏水極大的影響隧道的性能和使用年限，甚至嚴(yán)重威脅到行車(chē)安全。

同時(shí)，傳統(tǒng)的全排導(dǎo)方式，本著經(jīng)濟(jì)襯砌結(jié)構(gòu)、便捷施工操作的目的，大量排導(dǎo)地下水，相當(dāng)于在山體內(nèi)“橫置降水井”，造成嚴(yán)重的地表水流失，井泉干涸，水環(huán)境惡化，植被乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)被破壞。農(nóng)田缺失灌溉用水，地層沉降及塌陷，使得原隧址居民流離失所。在海底隧道中，地下水的控制在直接與安全相關(guān)的同時(shí)也極大的增加了運(yùn)營(yíng)的成本，在滲漏表現(xiàn)較好的青島膠州灣海底隧道，單日的抽水量也達(dá)到了4000m3，年抽水花費(fèi)高達(dá)800多萬(wàn)元；而在我國(guó)首條海底隧道：翔安隧道，單日抽水量甚至達(dá)到12000m3，年抽水花費(fèi)達(dá)2000多萬(wàn)元。是隧道運(yùn)營(yíng)的絕對(duì)沉重負(fù)擔(dān)。而在采取防水材料和管片拼接式襯砌的地鐵隧道，滲漏情況任然不容樂(lè)觀。且在圓梁山隧道修建過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員試圖采取“巨型襯砌”的辦法對(duì)抗水壓力以及依賴(lài)襯砌結(jié)構(gòu)自防水，但這種從環(huán)保和隧道耐久性出發(fā)的巨額花費(fèi)并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果。

隨著環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的日益嚴(yán)肅和交通需求的快速增長(zhǎng)，與之嚴(yán)重矛盾沖突的隧道滲漏水問(wèn)題將隧道工程建設(shè)者對(duì)于此問(wèn)題的重視度提升到了一個(gè)新的層次。隧道滲漏水問(wèn)題這一課題已經(jīng)成為了隧道災(zāi)害研究的一個(gè)十分重要的分支。然而，隧道滲漏水是隧道病害的代表性現(xiàn)象，成因眾多，是多種病害的綜合反映[6]。所以，對(duì)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)防排水的研究已經(jīng)迫在眉睫，需要得出一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的解決辦法來(lái)對(duì)隧道工程的勘察設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行指導(dǎo)，且此舉將不僅對(duì)于隧道施工安全，壞境保護(hù)，運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)可靠有深遠(yuǎn)影響，同時(shí)將極大的豐富隧道設(shè)計(jì)理論。

綜上所述，目前隧道中絕大多數(shù)存在滲漏水病害，并且在隧址區(qū)域由隧道排水引起的諸多環(huán)境問(wèn)題同樣十分嚴(yán)重,因此，亟需一種更加準(zhǔn)確的計(jì)算隧道襯砌水壓力的方法，以期在隧道的勘測(cè)、設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中進(jìn)行指導(dǎo)，從而降低隧道的滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)目前隧道中絕大多數(shù)存在滲漏水病害，并且在隧址區(qū)域由隧道排水引起的諸多環(huán)境問(wèn)題同樣十分嚴(yán)重的問(wèn)題，提供一種高水壓巖溶隧道襯砌水壓力計(jì)算方法，能夠更加準(zhǔn)確的計(jì)算隧道襯砌水壓力，從而在隧道的勘測(cè)、設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中進(jìn)行指導(dǎo)，降低隧道的滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種高水壓巖溶隧道襯砌水壓力計(jì)算方法，其特征在于，包括：

a、確定隧道開(kāi)挖斷面的地質(zhì)條件，所述地質(zhì)條件包括下述條件中的一種：隧道開(kāi)挖斷面位于均質(zhì)地層內(nèi)，隧道開(kāi)挖斷面縱向跨地層穿越；

b、將地層視作環(huán)向分布于隧道斷面外，確定各地層至隧道中心的外徑，以及各地層對(duì)應(yīng)的水頭和滲透系數(shù)；確定注漿加固圈外徑、初期支護(hù)外徑、二次襯砌外徑及二次襯砌內(nèi)徑，以及其分別對(duì)應(yīng)的水頭和滲透系數(shù)；

c、以隧道軸線方向?yàn)閦軸和半徑方向?yàn)閞軸的柱坐標(biāo)方程對(duì)拉普拉斯方程進(jìn)行變換；

d、根據(jù)darcy定律計(jì)算隧道每延米的涌水量，二次襯砌背后的水頭和初期支護(hù)背后水頭，在根據(jù)水的容重計(jì)算得出二次襯砌背后的孔隙水壓力和初期支護(hù)背后的孔隙水壓力。

作為優(yōu)選，在隧道開(kāi)挖斷面位于均質(zhì)地層內(nèi)狀況下，所述漏水參數(shù)的方程表達(dá)式分別為：

隧道每延米的涌水量：

二次襯砌背后的孔隙水壓力為：

初期支護(hù)背后的孔隙水壓力為：

式中：r1,r2,r3分別為巖體層1，巖體層2和巖體層3的地層外徑，r1,r2,r3處對(duì)應(yīng)水頭分別為h1,h2,h3，其中h1＝h，h是巖體層1外側(cè)的地下水位水頭，各巖體層對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)為k1,k2,k3；r4,r5,r6,r7依次為注漿加固圈外徑、初期支護(hù)外徑、二次襯砌外徑及二次襯砌內(nèi)徑，rn≥r(n+1),n＝1,2,3...；對(duì)應(yīng)水頭分別為h4,h5,h6,h7，滲透系數(shù)分別為k4,k5,k6，其中k6為折合滲透系數(shù)；水的容重為γw。

作為優(yōu)選，在所述隧道開(kāi)挖斷面平均穿越三層均質(zhì)地層的狀況下，所述漏水參數(shù)的方程表達(dá)式分別為：

隧道每延米的涌水量為：

同理，二次襯砌背后的水壓力：

初期支護(hù)背后的水壓力：

式中：r1為地層外徑，對(duì)應(yīng)水頭分別為h1(其中h1＝h)，h是巖體層1外側(cè)的地下水位水頭，滲透系數(shù)在雙層均質(zhì)地層中不同地層段內(nèi)分別為k11,k12，r2,r3,r4,r5依次為注漿加固圈外徑、初期支護(hù)外徑、二次襯砌外徑及二次襯砌內(nèi)徑，對(duì)應(yīng)水頭分別為h2,h3,h4,h5，滲透系數(shù)分別為k2,k3,k4，其中k4為折合滲透系數(shù)；水的容重為γw。

作為優(yōu)選，在所述隧道開(kāi)挖斷面平均穿越三層均質(zhì)地層的狀況下，所述漏水參數(shù)的方程表達(dá)式分別為：

隧道每延米的涌水量為：

qc3＝a+b+c+d+e

二次襯砌背后水壓力為：

初期支護(hù)背后水壓力為：

式中：r1為地層外徑，對(duì)應(yīng)水頭分別為h1，其中h1＝h，h是巖體層1外側(cè)的地下水位水頭，滲透系數(shù)在不同地層段內(nèi)分別為k11,k12,k13，r2,r3,r4,r5依次為注漿加固圈外徑、初期支護(hù)外徑、二次襯砌外徑及二次襯砌內(nèi)徑，對(duì)應(yīng)水頭分別為h2,h3,h4,h5，滲透系數(shù)分別為k2,k3,k4，其中，k4為折合滲透系數(shù)。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本申請(qǐng)的有益效果是：能夠更加準(zhǔn)確的計(jì)算隧道襯砌水壓力和涌水量，從而在隧道的勘測(cè)、設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中進(jìn)行指導(dǎo)，降低隧道滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明方法的流程圖。

圖2是地下水滲流流網(wǎng)圖。

圖3是隧道開(kāi)挖斷面位于均質(zhì)地層內(nèi)的示意圖

圖4是圖3所示隧道的計(jì)算模型。

圖5是隧道開(kāi)挖斷面平均穿越雙層均質(zhì)地層的示意圖。

圖6是圖5所示隧道的計(jì)算模型。

圖7是隧道開(kāi)挖斷面平均穿越三層均質(zhì)地層的示意圖。

圖8是圖7所示的計(jì)算模型。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的說(shuō)明。

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一種高水壓巖溶隧道襯砌水壓力計(jì)算方法，包括：

a、針對(duì)高水壓巖溶隧道的地質(zhì)條件提出條件假設(shè)；

b、根據(jù)所述條件假設(shè)建立高水壓巖溶隧道的計(jì)算模型；

c、以隧道軸線方向?yàn)閦軸和半徑方向?yàn)閞軸的柱坐標(biāo)方程對(duì)拉普拉斯方程進(jìn)行變換，并根據(jù)第一隧道地質(zhì)條件對(duì)變換后的拉普拉斯方程進(jìn)行簡(jiǎn)化；

d、結(jié)合darcy定律并應(yīng)用所述計(jì)算模型的邊界條件積分求取所述計(jì)算模型條件下的漏水參數(shù)的方程表達(dá)式，并根據(jù)第二隧道地質(zhì)條件對(duì)所述漏水參數(shù)的方程表達(dá)式進(jìn)行簡(jiǎn)化，所述漏水參數(shù)包括隧道每延米的涌水量、二次襯砌背后的孔隙水壓力和初期支護(hù)背后的孔隙水壓力。

進(jìn)一步的，對(duì)于圖3所示狀況，建立隧道開(kāi)挖斷面位于均質(zhì)地層內(nèi)的計(jì)算模型，為單層模型，如圖4所示從而在步驟e中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的所述漏水參數(shù)的方程表達(dá)式分別為：

隧道每延米的涌水量：

二次襯砌背后的孔隙水壓力為：

初期支護(hù)背后的孔隙水壓力為：

區(qū)別于上述建立單層模型得到的漏水參數(shù)方程表達(dá)式，對(duì)于圖5示狀況，建立隧道開(kāi)挖斷面平均穿越雙層均質(zhì)地層的計(jì)算模型，為雙層模型，如圖6所示，則在步驟e中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的所述漏水參數(shù)的方程表達(dá)式分別為：

隧道每延米的涌水量為：

同理，二次襯砌背后的水壓力：

初期支護(hù)背后的水壓力：

區(qū)別于上述建立雙層模型得到的漏水參數(shù)方程表達(dá)式，對(duì)于圖7所示的狀況，建立隧道開(kāi)挖面平均穿越三層均質(zhì)地層的計(jì)算模型，為三層模型，如圖8所示，從而在步驟e中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的所述漏水參數(shù)的方程表達(dá)式分別為：

隧道每延米的涌水量為：

qc3＝a+b+c+d+e

二次襯砌背后水壓力為：

初期支護(hù)背后水壓力為：

進(jìn)一步的，在步驟a中，所述條件假設(shè)為：

(1)隧道圍巖各地層、注漿圈、襯砌結(jié)構(gòu)均為各項(xiàng)同性的均勻介質(zhì)體；

(2)地下水不可壓縮且處于穩(wěn)定滲流狀態(tài)符合滲流定律；

(3)不計(jì)初始滲流場(chǎng)及相應(yīng)的滲流力；

(4)為便于計(jì)算，注漿圈及襯砌結(jié)構(gòu)斷面均為等效周長(zhǎng)后的圓形斷面；

(5)地下水能夠通過(guò)二次襯砌均勻排出。

更進(jìn)一步的，在步驟b中，通過(guò)如下方法建立計(jì)算模型：以非接觸地層(與隧道沒(méi)有接觸，也即是隧道沒(méi)有穿過(guò)該地層)與隧道斷面圓心的最短距離為半徑，并以隧道斷面圓心為圓心畫(huà)圓，形成以隧道斷面圓心為圓心的環(huán)狀地層帶。

進(jìn)一步的，所述第一地質(zhì)條件為水流垂直于z軸，即且水頭函數(shù)關(guān)于z軸軸對(duì)稱(chēng)，即所述第二地質(zhì)條件為：二次襯砌內(nèi)表面水頭為零，最外層地層水頭為遠(yuǎn)場(chǎng)水力勢(shì)為h。

實(shí)施例1

實(shí)際工程中，地下水通過(guò)初期支護(hù)和二次襯砌間的盲管等排水系統(tǒng)集中排放，考慮到排水系統(tǒng)的效率，將此部分地下水均勻分布到全斷面上，作“折合滲透系數(shù)”考慮。

排水型隧道，其地下水滲流流網(wǎng)如圖2所示。

在實(shí)際工程中，圍巖是由多層透水性不同的地層不規(guī)律交替組成的層狀結(jié)構(gòu)，在同一地層內(nèi)滲透性相差無(wú)幾，但地層與地層之間，滲透性存在明顯差異，在以往的計(jì)算中，研究者均將圍巖按照均勻連續(xù)介質(zhì)考慮欠妥，故以下模型的建立將基于隧道斷面與不同滲透性地層的位置關(guān)系。

當(dāng)隧道開(kāi)挖斷面位于均質(zhì)地層內(nèi)

當(dāng)隧道開(kāi)挖斷面在單一地層內(nèi)時(shí)，基于流網(wǎng)性質(zhì)和無(wú)限含水層假設(shè)，考慮到地層法線方向經(jīng)過(guò)隧道斷面圓心的流線穿過(guò)地層距離最短，對(duì)水流的阻礙作用最小，故取此處同地層內(nèi)滲流最為激烈的地層厚度，將地層也視作環(huán)向分布于隧道斷面外，在不影響對(duì)稱(chēng)性簡(jiǎn)化的同時(shí)，提高了計(jì)算公式的準(zhǔn)確性和可靠性。由此可得出簡(jiǎn)化模型如圖4所示：

當(dāng)隧道開(kāi)挖斷面縱向跨地層穿越

當(dāng)隧道開(kāi)挖斷面跨越兩層或三層等多層地層時(shí)，基于流網(wǎng)性質(zhì)和無(wú)限含水層假設(shè)，環(huán)向地層布置分段，水頭仍均勻分布在底層外，由此可得到簡(jiǎn)化模型如圖6及圖8所示。

本發(fā)明(1)結(jié)合流網(wǎng)分布，在考慮地層因素的情況下，設(shè)立隧道水壓力的計(jì)算方法，根據(jù)此方法可以了分別得出在有無(wú)注漿堵水情況下的毛洞涌水量、初期支護(hù)后的涌水量及水壓力、二次襯砌后的涌水量及水壓力的關(guān)系，并且據(jù)此評(píng)估注漿堵水在毛洞、初支以及二次襯砌條件的效率問(wèn)題。

(2)根據(jù)上述計(jì)算方法結(jié)合實(shí)際邊界條件可以得出在相同情況下增大注漿加固的范圍比提高注漿加固的效果更能提高止水效率，止水效果更明顯，相同注漿效果條件下，在注漿范圍5m范圍內(nèi)，水壓力急劇降低，繼續(xù)增加注漿加固范圍水壓力降低速率逐漸變低。

(3)根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算方法，可以得出注漿效果以及范圍對(duì)隧道涌水量多少以及襯砌水壓力大小起到至關(guān)重要的作用，注漿圈厚度越大、滲透系數(shù)越小堵水效率越高，在單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)襯砌背后的水量越少，故而隧道涌水量越少，襯砌水壓力越小，但在實(shí)際操作中，一味降低注漿圈的滲透系數(shù)同時(shí)加強(qiáng)注漿范圍并不經(jīng)濟(jì)且會(huì)嚴(yán)重影響進(jìn)度。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在注漿加固圈厚度未超過(guò)7.4m，被注漿層原有滲透系數(shù)在加固圈滲透系數(shù)20倍以?xún)?nèi)時(shí)，注漿堵水效率有明顯改善，再繼續(xù)擴(kuò)大注漿范圍或者減小滲透系數(shù)，效果有限。故注漿加固圈合理厚度應(yīng)為7m左右，滲透系數(shù)應(yīng)在原地層的1/20左右。

(4)根據(jù)發(fā)明的方法進(jìn)行分析，對(duì)于初期支護(hù)而言，排水量的減小勢(shì)必造成水壓力的增高，并且在厚度0m～1.2m范圍內(nèi)或滲透系數(shù)在原地層1/4內(nèi)時(shí)劇烈變化，此時(shí)應(yīng)根據(jù)隧道排水允許值和隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮，確定初期支護(hù)厚度以及滲透性。對(duì)于初期支護(hù)的討論對(duì)于二次襯砌同樣適用。在考慮二次襯砌與初期支護(hù)之間排水系統(tǒng)排水效率作為二次襯砌滲透系數(shù)時(shí)，出于安全考慮，需分析堵塞情況，即二次襯砌滲透系數(shù)陡然升高所帶來(lái)的壓力增量。

凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。