隧道襯砌水壓力計算及力學的特殊問題

隧道襯砌水壓力計算及力學的特殊問題本講主要內(nèi)容：1、概述2、隧道襯砌水壓力的計算問題3、隧道力學的特殊問題土木工程學院隧道工程系施成華一、概述

隨著我國工程建設的發(fā)展，隧道越建越多，隧道所處的地質(zhì)環(huán)境也越來越復雜，出現(xiàn)了越來越多的特殊問題。（1）富水隧道的水壓力計算問題;（2）隧道施工的時空效應問題;（3）流固耦合計算問題；（4）溫度場和應力場的耦合計算問題；（5）軟弱圍巖大變形的力學分析；（6）復雜空間隧道結(jié)構(gòu)的計算問題;第8講隧道力學的特殊問題—概述土木工程學院隧道工程系施成華一、概述

（7）隧道圍巖的本構(gòu)關(guān)系和屈服準則;（8）隧道圍巖結(jié)構(gòu)面的力學特性問題；（9）多層支護的力學分析問題；（10）隧道拆撐過程的力學分析問題；（11）高地應力隧道的巖爆問題；（12）隧道結(jié)構(gòu)動力學問題（13）隧道工程問題的反演分析理論與方法（14）巖溶隧道的施工安全問題第8講隧道力學的特殊問題—概述土木工程學院隧道工程系施成華二、隧道襯砌水壓力計算理論

目前，國內(nèi)外隧道工程對地下水的處理方式基本上可分：全封堵方式，堵水限排方式和排導方式三種。

全封堵方式為不設置襯砌背后的地下水排導系統(tǒng)，襯砌結(jié)構(gòu)承受同地下水頭相當?shù)乃畨毫Γ?/p>

排導方式為在襯砌后設置包括盲溝等地下水排導系統(tǒng)，襯砌不考慮水荷載的作用；

堵水限排方式是采取地層注漿等方式減少進入隧道內(nèi)地下水排量，同時在襯砌背后設置排導系統(tǒng)，將進入隧道內(nèi)的地下水排走，襯砌結(jié)構(gòu)承受部分水壓力。第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題土木工程學院隧道工程系施成華二、隧道襯砌水壓力計算理論

在全封堵情況下，地下水靜水壓力并不因為巖土介質(zhì)的滲透性有所降低而改變其傳遞規(guī)律，襯砌要承受同地下水水頭基本相當?shù)乃畨毫?，當隧道埋置較深，地下水水頭較高時，隧道結(jié)構(gòu)設計非常困難，并且不合理；

排導方式下隧道襯砌結(jié)構(gòu)設計可基本上不考慮襯砌的水壓力荷載，從而可使隧道襯砌設計得比較經(jīng)濟合理；第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題土木工程學院隧道工程系施成華二、隧道襯砌水壓力計算理論

在堵水限排方式下，減少了地下水進入隧道內(nèi)的排水量，對地表水環(huán)境影響較小，同時由于設置了排導系統(tǒng)，襯砌結(jié)構(gòu)承受的外水壓力可進行大幅度折減，使隧道設計更趨合理。因此，對于地下水位較高的深埋山嶺隧道，隧道設計時通常采取“以堵為主、限量排放”的防排水原則。第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題土木工程學院隧道工程系施成華實現(xiàn)限量排放的一種方式是在隧道的防排水系統(tǒng)中安設一種控制閥門。當水壓達到一定值時，閥門打開排水，當水壓低于某一值時，閥門關(guān)閉，這種控制排水系統(tǒng)在廣州地鐵隧道中曾經(jīng)使用過，但是由于經(jīng)常開閉，閥門極易損壞，再加上水中含有大量泥砂，常常使閥門堵塞，最終失去控制排水功能，并使得襯砌背后水壓增大造成襯砌破壞。第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題二、隧道襯砌水壓力計算理論

土木工程學院隧道工程系施成華另一種控制排放的方式主要針對山區(qū)高水位隧道，如巖溶富水區(qū)，隧道的設計可以采取多道防線、層層設防，在隧道襯砌外面的圍巖中設計一定厚度的注漿堵水圈，減少流向隧道襯砌背后的總滲流量，再在隧道襯砌背后設置排水措施排出剩余的水量來降低外水壓力。在這種方式下，初期襯砌和二次襯砌之間加設了防水板，二次襯砌是防水混凝土，因此，地下水荷載在圍巖和注漿加固圈中表現(xiàn)為滲流體積力，而在二次襯砌上為邊界力，可以稱為襯砌外水壓力。第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題二、隧道襯砌水壓力計算理論

土木工程學院隧道工程系施成華

假定圍巖為各向同性均勻連續(xù)介質(zhì)，隧道為圓形，地下水頭很高，設為H，水流為穩(wěn)定流，其運動規(guī)律服從Darcy定理。r0為襯砌內(nèi)徑；r1為襯砌外徑；rg為注漿圈半徑；r2為遠場距離，等于H；由于襯砌厚度相對于地下水頭較小，襯砌滲透力可以簡化為作用在襯砌外緣的表面力，該表面力取該處的孔隙水壓力。第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題

1.限量排放下的水壓力理論

為了求得隧道排水量Q和襯砌及注漿圈外緣的水壓力，考慮隧道所處的地下水頭很高，水流為穩(wěn)定流，可根據(jù)地下水動力學理論，以無限含水層中的豎井為例進行理論分析。土木工程學院隧道工程系施成華基本假定：（1）水層均質(zhì)、各向同性，厚度不變，分布面積很大，可視為無限延伸；（2）抽水前的地下水面是水平的，并視為穩(wěn)定的；（3）含水層中的水流服從Darcy定律，并在水頭下降的瞬間水就馬上釋放第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題

1.限量排放下的水壓力理論設承壓含水層中有一豎井，井的內(nèi)半徑為r0，襯砌外半徑為r1，由于抽水引起了水頭降落，井內(nèi)徑處水頭為h0，外半徑處水頭為h1，遠場穩(wěn)定水頭在半徑r2處，為h2；襯砌滲透系數(shù)為k1，圍巖滲透系數(shù)為k2。土木工程學院隧道工程系施成華水流有如下特征：（1）水流為水平徑向流，即流線為指向井軸的徑向直線，等水頭面為以井為共軸的圓柱面，并和水平斷面一致；（2）通過各過水斷面的流量處處相等，并等于井的流量。因此可取A-A剖面進行分析。第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題

1.限量排放下的水壓力理論此徑向流的水頭分布滿足Laplace方程，轉(zhuǎn)換成柱坐標形式，并考慮水流是水平對稱的，應有積分可得：土木工程學院隧道工程系施成華設Q1為斷面A-A處通過圍巖的流量，即當r1<r<r2時，有第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題

1.限量排放下的水壓力理論利用分離變量法積分，引入邊界條件r=r2,h=h2；r=r1,h=h1同理，斷面A-A處通過襯砌的流量Q2為：土木工程學院隧道工程系施成華因為Q1=Q2=Q，由此可得：第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題

1.限量排放下的水壓力理論當井內(nèi)無內(nèi)水壓時h0=0，則則有：土木工程學院隧道工程系施成華由于假定圍巖為各向同性均勻連續(xù)介質(zhì)，隧道為圓形，地下水頭很高，水流為穩(wěn)定流，這時隧道的排水量Q和襯砌外水壓力P完全可以由上面求得的h1和Q決定。因此在無注漿情況下，有第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題

1.限量排放下的水壓力理論土木工程學院隧道工程系施成華在有注漿圈情況下，令kl為襯砌滲透系數(shù)；kg為注漿體滲透系數(shù)；kr為圍巖滲透系數(shù)，可以依照上述推導過程建立方程第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題

1.限量排放下的水壓力理論土木工程學院隧道工程系施成華由此求得：第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題

1.限量排放下的水壓力理論其中h1、hg為襯砌和注漿加固圈外的水頭，Pg為注漿加固圈外水壓力。土木工程學院隧道工程系施成華宜萬線野三關(guān)隧道，地層滲透系數(shù)Kr=0.036m/d,采用單線160km/h斷面尺寸，設隧道為圓形，r0=4.89m,r1=5.6m,地層滲透系數(shù)與注漿圈滲透系數(shù)之比為n。第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題

2.算例土木工程學院隧道工程系施成華第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題

2.算例（1）當采取排水措施后，襯砌上水壓隨排水量的增加而減??；（2）注漿范圍越大，注漿效果越好，襯砌上水壓越小，注漿圈上的水壓越大，但是當注漿范圍大到一定程度后，襯砌上水壓隨注漿范圍的增大變化已經(jīng)不太明顯，說明注漿半徑的選取有一個合理范圍。（3）在襯砌滲透性不變的情況下，注漿范圍越大、注漿效果越好，排水量可以越小，因此注漿圈可以起到控制排水的作用，給定了隧道某一段的合理排放量以后，就可以確定注漿的范圍和注漿水平。土木工程學院隧道工程系施成華無注漿圈時襯砌水壓折減系數(shù)可以表示為：第8講隧道力學的特殊問題—水壓力的計算問題

3.隧道襯砌水壓力折減系數(shù)有注漿圈時襯砌水壓折減系數(shù)可以表示為：（1）在隧道開挖半徑、襯砌厚度一定的情況下，無注漿圈時襯砌水壓折減系數(shù)與遠場水頭H（這里r2=H）以及襯砌和圍巖的相對滲透系數(shù)有關(guān)，（2）有注漿圈時襯砌水壓折減系數(shù)不僅與遠場水頭H（這里r2=H）、襯砌和圍巖的相對滲透系數(shù)有關(guān)，還與注漿半徑以及注漿圈滲透系數(shù)有關(guān)。土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華不考三慮注三漿時三襯砌三水壓三折減三系數(shù)三表第8講三隧道三力學三的特三殊問三題—水壓三力的三計算三問題3.隧道三襯砌三水壓三力折三減系三數(shù)當Kl三/K三r=三0即襯三砌基三本不三透水三時，三襯砌三上水三壓不三能折三減；隨著Kl三/K三r的增三加，三襯砌三水壓三折減三系數(shù)三減小三，說三明襯三砌上三水壓三在減三??；但當Kl三/K三r=三1時，三并不三等于0，而三且水三頭越三小，三越大三。由三于Kl三/K三r=三1實際三上類三似于三毛洞三狀況三，地三下水三自由三排放三，作三用在三襯砌三上的三水壓三力不三為0。遠場水頭H(m)kl/kr00.0010.010.10.5150010.948540.648270.155630.035550.018130010.954310.676250.172790.04010.0204620010.958950.700240.189360.044630.0228310010.966980.745440.226510.055330.028455010.975140.796880.281780.072760.03775土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華有注三漿圈三存在三時，三襯砌三水壓三折減三系數(shù)三表第8講三隧道三力學三的特三殊問三題—水壓三力的三計算三問題3.隧道三襯砌三水壓三力折三減系三數(shù)隨著Kg三/K三r的減三小，三襯砌三水壓三折減三系數(shù)三減小三，說三明注三漿效三果越三好，三襯砌三水壓三越小三。遠場水頭H(m)kg/kr0.00010.0010.010.10.515000.007540.070220.414960.815120.891540.902113000.007550.070280.417160.823690.901800.912622000.007550.070330.418940.830620.910110.921141000.007550.070420.422000.842740.924690.93607500.007550.070510.425100.855220.939740.95149土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華第8講三隧道三力學三的特三殊問三題—問題三討論三、三問題三討論（1）富三水隧三道的三水壓三力計三算問三題要點三：（1）通三常條三件下三水壓三力的三計算三方法三；（2）施三工階三段水三壓力三的計三算，三主要三討論三隧道三施工三工作三面在三動水三壓力三（滲三透力三）的三作用三下的三穩(wěn)定三性的三計算三分析三；（3）使三用階三段水三壓力三的計三算，三主要三討論三壓力三水頭三如何三折減三，作三用在三隧道三襯砌三結(jié)構(gòu)三上的三水壓三力如三何計三算。土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華（2）隧三道施三工的三時空三效應三問題第8講三隧道三力學三的特三殊問三題—問題三討論三、三問題三討論要點三：（1）什三么是三時空三效應三；（2）隧三道施三工過三程中三初始三地應三力釋三放的三時間三效應三和空三間效三應，（3）隧三道施三工工三作面三對隧三道初三始應三力釋三放過三程的三影響三；（4）隧三道施三工過三程中三隧道三洞周三收斂三位移三的時三空效三應。土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華（3）流三固耦三合計三算問三題第8講三隧道三力學三的特三殊問三題—問題三討論三、三問題三討論要點三：（1）流三固耦三合計三算的三常用三方法三；（2）隧三道結(jié)三構(gòu)流三固耦三合計三算的三具體三流程三；（3）流三固耦三合計三算的三發(fā)展三趨勢三。土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華（4）軟三弱圍三巖大三變形三的力三學分三析第8講三隧道三力學三的特三殊問三題—問題三討論三、三問題三討論要點三：（1）什三么是三軟弱三圍巖三；（2）軟三弱圍三巖大三變形三的原三因與三力學三機制三；（3）軟三弱圍三巖大三變形三隧道三的常三用控三制措三施及三其力三學機三制。土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華（5）復三雜空三間隧三道結(jié)三構(gòu)的三計算三問題第8講三隧道三力學三的特三殊問三題—問題三討論三、三問題三討論要點三：（1）什三么是三軟弱三圍巖三；（2）軟三弱圍三巖大三變形三的原三因與三力學三機制三；（3）軟三弱圍三巖大三變形三隧道三的常三用控三制措三施及三其力三學機三制。土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華（6）隧三道圍三巖的三本構(gòu)三關(guān)系三和屈三服準三則第8講三隧道三力學三的特三殊問三題—問題三討論三、三問題三討論要點三：（1）什三么是三圍巖三的本三構(gòu)關(guān)三系和三屈服三準則三；（2）隧三道圍三巖常三用的三本構(gòu)三關(guān)系三；（3）隧三道圍三巖常三用的三屈服三準則三；（4）隧三道圍三巖本三構(gòu)關(guān)三系和三屈服三準則三對隧三道圍三巖穩(wěn)三定性三分析三結(jié)果三的影三響情三況（5）隧三道圍三巖本三構(gòu)關(guān)三系和三屈服三準則三的發(fā)三展。土木三工程三學院三隧道三工程三系施成三華（7）高三地應三力隧三道的三巖爆三問題第8講三隧道三力學三的特三殊問三題—問題三討論三、三問題三討論要點三：