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对隧道衬砌水压力荷载的讨论_图文

现代隧道技术

2006年增刊(67—73)

对隧道衬砌水压力荷载的讨论
王建宇
(中铁西南科学研究院有限公司,成都610031) 摘要文章从地下水的渗流作用出发对作用于睫道村砌的水压力荷载的计算进行了讨论。着重指出:①在 采用全封堵防水衬砌的情况下,无论围岩的渗透系数刍小,都必须考虑同地下水位相应的水压力荷载。②只有遄。
水的村砌(或设置排导系统)才能考虑水压力折减系数。水压力折减系数的量值主要取决于衬砌渗透系数同地层

渗透系数之比。③对于高水头的深埋隧道,为避免量值较大的水压力,应设置排导系统,不宜采用全封堵衬砌结
构.要采用围岩注浆来控制地下水的排放流量。 关键词隧道村砌水压力荷载

1问题的提出
隧道工程中地下水的处治历来有二种方式: (1)全封堵方式
修建在土层中用盾构法施工的市政(地铁)隧 道通过衬砌管片接头处的密封装置,将地下水完全 封堵在衬砌背后。在这种情况下,对于透水地层,衬 砌结构要承受与地下水位相应的水压力。 (2)排导方式 用矿山法修建的山岭隧道通常的做法是通过设 置在衬砌背后的透水垫层、盲沟或排水管等将围岩 中的地下水引到设置在衬砌墙脚的出水口排出。由

虑与地下水位相应的水压力。但是,习惯于山岭隧

道设计的工程师们对有时竟会基于这样或那样的考 量,甚至会“不经意”地袭用铁路隧道设计的做法将 水压力”忽略”掉。这样做的严重后果已在某些工
程中显现。 (2)即便是在山岭隧道工程中,地下水的排放 对地表生态环境造成负面影响也已屡见不鲜(例如 大瑶山9号断层、中梁山隧道等)。从可持续发展 (Sustainable Development)战略出发,对地下水资源 的保护的要求越来越严格。人们痛感“以排为主” 的地下水处治原则必须改变。为此常常采用地层注

浆,降低围岩的渗透系数。在这种情况下,如何计算
水压力? (3)近年来,我国修建的水下隧道越来越多。 水下隧道衬砌水压力具有特殊性。从降低运营期间

于采用了这种“开放式”的地下水处治方式,铁路隧
道设计规范和公路隧道设计规范在确定衬砌结构荷

载时均不考虑水压力。
现在的问题是: (1)随着新型支护技术的发展和“新奥法”原

排水能耗和简化隧道维修(防止排导系统堵塞)角 度考虑,希望采用“不排水”的全封堵结构。此时,
衬砌水压力的考虑当然是十分重要的。

理的引人,原本主要用于修建山岭隧道的矿山法已
在通常处于软弱围岩(包括土层)和浅理条件的市 政(地铁)隧道修建中广泛应用,成为盾构法和明挖 法的一个重要补充。不过,与山岭隧道的情况不同, 从防止地表不均匀沉降和生态环境保护出发,运用

此外.由于水下隧道具有相对稳定的地下水水 头,即使是采用排导方式,也不能完全不考虑水压
力。 (4)工程实例已经表明,对水工隧洞设计规范

“浅理矿山法”修建市政(地铁)隧道时也必须像盾
构隧道那样采用全封堵的“全包方案”,即在衬砌背

中的水压力折减系数的不正确地理解和袭用会引起
在地下水处治问题上的失误。

后沿全环设置橡胶或聚合物防水板而不再设置渗水 垫层、肓沟或排水管等排导系统。
在这种情况下,理应如同设计盾构隧道那样考

2矿山法隧道的3个工程实例
(1)某地铁区间隧道‘1’
?67?

现代隧道技术 隧道位于微风化及中风化岩层,Ⅳ类围岩,地下 水位在地表以下1.0—3.0 m,隧道上覆地层厚度为
7.64一17.64 m。地下水位高度约6.0 m。

2006年增刊

成后发现在底部产生了贯通的纵向裂缝。 与盾构隧道圆形横断面的情况不同,水压力对 马蹄形隧道会产生明显的不利影响,即使隧道埋置 浅,地下水头较低,这种影响仍然是很大的。 取全水头作为衬砌荷载,内力计算结果示于图

从城市环境保护出发,该隧道在衬砌背后沿全
环设置“全包”防水结构,不设排导系统。而在衬砌

设计时则沿用了山岭隧道的习惯作法未考虑水压
力。衬砌为C20素混凝土,厚度为30 em。隧道建

1及表1。计算表明,在水压力的作用下,隧道底部
的开裂是理所当然的。

(a)弯矩图 图1受水压衬砌内力

(b)最大拉应力

表I受水压村砌内力分析 内力 隧底中部 墙角 弯矩/kN?m
84.72 76.10

拉应力/MPa
4.5
5.1

压应力/MPa
7.3
7.8

本工程之所以未计算水压力,据说是设计者考 虑到本隧道围岩渗透系数小,渗透性差,加之地下水 水头本来就不高.传到衬砌背后的地下水压力经

“折减”后可以“忽略不计”,并认为水工隧洞设计规 范中的“外水压力折减系数”表(见本文表2)可作
为依据。

工程实践已经无情地证明了这种做法的失误。 但是,问题在那里?值得讨论。
(2)渝怀铁路歌乐山隧道(图2) 本隧道围岩地下水发育,开挖后出现涌水现象, 最高水压2.2 MPa。经地层注浆及施作初期支护 (锚喷支护)后,壁面上仅有渗水及局部滴水。曾经 导系统。 在这种情况下,在二次衬砌背后到底还要不要 设置地下水排导系统?如果不设置,不透水的全封
图2歌乐山隧道

认为:围岩中存在厚度为6.0 m“注浆加固圈”可以 “分担”水压力,按水工隧洞设计规范“外水压力折减 系数”表中的折减系数,将水压力折减为1.0 MPa,采
用d=80 cnl钢筋混凝土,并且打算不再设置排导系 统,作成“全封堵”衬砌。 幸运的是,为稳妥计,本隧道最后还是设置了排
?68?

堵衬砌是否可按照折减表计算衬砌水压力?反思一
下是十分有意义的。 (3)圆梁山隧道”1 隧道长11.068 km,在岩溶强烈发育的富水段 地下水水位高度可达450—500
m。

从环境保护和隧道的可靠耐久考量采用了不设

对隧道种砌水压力荷栽的讨论

排导系统的“全封堵”衬砌。为了承受同地下水水
位相应的4.5 MPa的水压力,采用内直径为8.34


对于高水头的深埋山岭隧道采用“全封堵”衬
砌是否可行?什么是合理的方案? 看来,我们有必要从“水压力”的实质出发对地

的圆形横断面,而全封堵衬砌的厚度竟达1.0 in,并 在其中按0.33 m间距设置了双环50 ks/m的钢轨 作为“劲型钢筋”(图3)。

下水的力学作用进行一番讨论。

3水压力计算的不同规定
在隧道设计中,通常采用作用在衬砌外缘的

表面力——水压力”来反映地下水对隧道结构的 力学作用。现行规范对水压力计算的规定有所不
同: (1)地铁设计规范(GB50157)

对透水地层要求“按静水压力”计算水压力荷 载。对于盾构隧道,历来采用全水头计算水压力,即

式中,卜地下水位高度; r水的重度;
图3圆梁山隧道“全封堵”衬砌

F=~H

F一沿衬砌外缘法向作用的水压力。
(2)铁路隧道设计规范(TBl0003—2001) 不考虑水压力,即 但是,这样强大的衬砌最终还是没有有效地将
F=0

地下水“拒之门外”——隧道建成后发现水透过被 破损的防水板从衬砌接头缝或混凝土衬砌本身渗入 隧道内。看来还得再采取排导措施。不过,既然是
采用排导,水压力就不会有那么大,当初修建的“巨 型”衬砌实在是太冤枉了!

(3)水工隧洞设计规范(SL279—2002) 对水压力的规定介于二者之间:
F=Byft

式中,口=0—1,系根据隧洞开挖后地下水渗流程度
按表2选用的折减系数。

表2外水压力折减系数 级别


地下永括动状态 洞壁干燥或潮湿 沿结构面有渗水或滴水 沿裂隙或软弱结构面有大量滴水,线 状流水或喷水 严重股状流水,沿软弱结构面有小量 涌水 严重滴水或流水,断层等软弱带有大 量涌水 无影响

地下水对围岩稳定的影响 风化结构面充填物质,降低结构面的抗剪强度。对软弱

口值




0—0.4

岩体有软化作用 泥化软弱结构面充填物质,降低抗剪强度,j时.中硬岩体 有软化作用 冲刷结构面中充填物质。加速岩体风化,对断层等软弱
0.25—0.6





带软化泥化,并使其膨胀崩解,以及产生机械管涌。有

0.4一O.8

渗透压力,能鼓开较薄的软弱层
冲刷携带结构面充填物质,分离岩体,有渗透压力,能鼓 开一定厚度的断层等软弱带,能导致围岩塌方
o.65—1.0



地铁盾构隧道设计和铁路隧道设计对水压力采 取两种截然不同的考虑乃缘于这两种隧道地下水处
治的方式的不同。因此.不能相互袭用。

4.1连续体模型(Continunnl model)?合算法 如果将岩体在水力特性上视为连续介质,那么 地下水对围岩和衬砌结构的作用应该用分布在围岩 和衬砌中的场力(体积力)来表示。称为“渗流力”。
?69?

4地下水作用的两种计算模型

现代隧道技术

2006年增币

在岩石介质渗透特性的均匀连续介质假定以及 Darcy定理的基础上,我们可以“严格地”从渗流理 论出发计算地下水对围岩和衬砌的作用。
渗流力


家们已经对岩体裂隙中的渗流现象作过不少细观的

研究,但在实际进行渗流计算时,仍然将节理、裂隙 甚至空洞“均摊”到整个岩体而得到“渗透等效连续
介质”。在节理、裂隙有序分布的岩体中,可以考虑 渗流特性的方向性。相应于流速向量和水力梯度向 量,将渗透系数表达为张量。对于节理、裂隙相对发

d^



dh



a^

^5一Y瓦厶2一y面上2一y面
浮力

Z=0 Z=0 Z=Y


育的岩体,“渗透等效连续介质”假定可以在很大程 度上反映实体岩体的渗透特性。但是,在相对于隧 道尺寸而言裂隙问距和岩石块度较大的裂隙岩体中
很难将地下水的渗透作用“均摊”为“场力”。而对 于岩溶管道发育的石灰岩地层,地下水的流动规律

。式中,h为水力势,h==+上


其中,p——孔隙水压力。
对于渗透介质,据以计算渗流力的水力势可以 用Darey定理和Laplace连续性方程计算:

是否符合Darcy定理都是很成问题的。 (2)铁路或公路隧道常常在衬砌背后设置防水 板和地下水疏导设施,这不仅破坏了水力渗透连续 性,而且由于设置了防水板后,在衬砌和围岩(或初 期支护)界面上不能传递拉应力和剪应力。即使是
不设防水层的普通混凝土衬砌,由于回填等施工因 素,衬砌和围岩之间的不连续界面实际上也是存在 的。 因此,在隧道设计中,工程师们常常宁愿从他们

矿:丛y:丛V:丛


a%



aY



az

尝+氅+垡:0
0x‘Oy"ar

张有夭(1980,1985)对用连续体模型计算水荷

载作用已有明晰的阐述:Ⅻ31
(1)计算隧道开挖前岩体自重、地质构造力及 初始渗流场k产生渗流力^作用下的围岩初始应力
O"0;

(2)计算隧道开挖后渗流场h。及渗流力^,求 4^=^一fo及开挖释放荷载作用下的围岩应力场增 量Ao",,则隧道开挖后围岩应力为:
”1

所习用的“荷载-结构物”模型出发,采用作用在衬砌 上的“水压力”来反映地下水的作用。 4.2“荷载-结构物”模型?“分算法”

2”o+Ao-1

“荷载一结构物”计算模型的基本考量: (1)将地下水的力学作用单独计算。故又称
“分算法”。用弹性地基的约束作用来反映衬砌同 围岩的共同作用。 (2)考虑衬砌单独地承受衬砌范围内的渗流力 当衬砌与围岩接触面法向应力为拉应力时,衬

(3)从隧道衬砌后渗流场^:及渗流力正求4疋

--A一^及衬砌自重作用下围岩及衬砌应力增量
Act:及△叽,则衬砌后围岩与衬砌的应力为:
O-2

2口+△92

。l=Actl

如果衬砌“完全透水”4丘=五-f,=0,叽=0, 则衬砌将不承受任何外水荷载。 采用这种连续体模型(Continuum model),将围 岩和衬砌作为共同作用的整体,直接通过分析隧道 开挖所引起的固体岩土介质和地下水渗流力对“围 岩一衬砌“系统的联合作用进行围岩稳定性和衬砌 的可靠性的评估(合算法),无须涉及衬砌“水压力

砌将与围岩脱离而单独作用。在这种条件下,衬砌 将单独承受衬砌范围内的渗流体积力。由于衬砌很 薄,衬砌内的渗流体积力可简化为作用在衬砌外缘
的法向表面力,这就是所谓的衬砌水压力,。

从以上基本假定出发,可以证明,衬砌水压力荷
载在量值上等于衬砌背后处围岩孔隙水压力,即:
F=p

荷载”这一概念。
然而。在具体工程的设计中,很少有人按照上述

5水压力荷载的折减
从定性的角度出发,为简单计.仍然假定围岩为 各向同性均匀连续介质,并考量圆形隧道的轴对称
问题。设远场水力势为日,根据Darcy定理和水流 连续性方程得流量Q及水压力F亦即衬砌外缘处 围岩中的孔隙水压力P.如下式所示(图4)。

方法计算地下水的力学作用,就铁路隧道和公路隧 道而言,笔者迄今未见过一个设计实例。究其原因.
不仅是因为这样算太“麻烦”,而且: (1)对于大多数的裂隙岩体,地下水主要在裂 隙中流动.岩块本身则相对不透水。尽管岩石力学
?70?

对隧道村砌水压力荷栽的讨论

但是,从(1)、(2)二式同时可以看出,当岛 =0时,无论取‘或,l为何值(除非以=0)恒有P =讪。 这就是说,对全封堵型衬砌,注浆圈并不能”分
担”作用在衬砌上的水压力 不考虑注浆,令(1)、(2)式中^。=b

Q2i瓦2。rlf蘑
图4计算示意图
YHIn二L



口2西再21面rHkr
rl
R‘
rI

P;r—丁上_=鲈



(4)
’。

璺In旦+hI生~
七r



ro

水压力折减系数
r0

p。瓦互瓦币o
ymn
rtr

h三
‘2’
r4

口2

r0

璺IIl旦+h1卫
^,
rl I"o

叫鲁)

(5)

kr

r|ks

rt

式中,t广一衬砌渗透系数;
t.——注浆体渗透系数; ^,——围岩渗透系数;

从(5)式可知.衬砌水压力p是衬砌渗透系数 和围岩渗透系数比值kt/k,的函数。 东北勘测设计院及有关单位曾经提出了按围岩 渗透系数和混凝土衬砌渗透系数的比值来确定村砌
水压力的折减系数口(表3)。

,0一衬砌内径;
^——衬砌外径; 0——注浆圈半径。 从(1)、(2)二式可知,当0增大或&。减小时
(1)式中的口及(2)式中的P值均减小。这就是说。 只要衬砌透水,岛≠0,采用围岩注浆既可以减小地

根据(5)式,折减系数口值还应该同隧道半径。
衬砌厚度和远场水力势(地下水水位)有关。 假定隧道内径为6.0 111,衬砌厚度为0.5 171。对

于地下水相对水位分别为500

111,100

m及50 m算

下水排放流量Q,又可以降低衬砌水压力P。

得折减系数口一并示于表3中。

寰3村砌水压力折臧系数 ^,以£



500

50—500

5一lO

东勘院建议值 折减系数口

1 1

0.嘶一0.94 按本文(5)式计算值

0.3—0.6

0.03—0.08

吁=500 m r./;100m







1 1

0.90 0.93 0 95

0.47—0.90 0.59—0.93 0.66-O.95

0.08—0.16 0.13~0.23

0.018
0.0284




仃=50ITI



再回到水工隧洞设计规范的外水压力折减系数 表。按照笔者的理解.表中对“地下水活动状态”的

应力钢筋混凝土衬砌结构上的外水压力”。 (4)式中令 也=∞,得卢=O,F:o.

描述实际上定性地给出了围岩酌渗透性,如果认为
普通混凝土的渗透系数是某个既定值,那根据二者

b=0,得卢=1,F;归
分别对应于衬砌“完全透水”和全封堵两种典

的比值关系即可得出表中建议的折减系数大致范 围。其实,在规范条文6.2.5中已明确指出折减系 数表适用于估算“作用在混凝土、钢筋混凝土和预

型情况,同水工隧洞设计规范外水压力折减系数表 (表2)无涉。
?7l?

现代隧道技术

2006年增刊

6模型试验‘51
模型试验的目的是为了进一步说服设计人员相 信:无论围岩的渗透性多么小,只要采用全封堵衬 砌,作用在衬砌上的水压力荷载不能折减,在这种情 况下,围岩注浆圈并不能分担水压力荷载。
测压管 通往 排出

分别用粗砂、中砂和水泥砂浆模拟不同渗透性 的围岩,将其装入容器中。介质高度取1 m,相当于
原型地层厚14 m。顶部注入稳定水位的水,在容器

图5模拟试验示意

质,作用在衬砌结构上的水压力最终均达到同原始 水头(4 m)相应的量值。所不同的是衬砌压力形成 的时间有所不同。这说明对于垒封堵情况,静水压 力的传递无折减可言(图6,表4)。

底部用水压计和测压观管测量水压(图5)。 试验表明,选取渗透系数从285×10。4 cm/s到
1.9×10。cm/s的不同介质,可以看到,对于各种介

霎 \
R 皑 *







?。|I砂k=5.6×10乇m/s

o粗砂k:-2.85×10。cm/s

?1:15砂浆.k=7.1×10‘4cm/s 。l:10砂浆.k=1.9×lO?cm/s

图6水压力形成过程

表4压力形成时间 材料 渗透系数/(era/s)
时间’/8

粗砂
2.85×10。2 104

中砂
5.6×10‘’ 147

砂浆
1:22 1:15 7.1 x10-4 2 265 1

1:10 9×10’4
12 620

9.8×10—4
2 120

?指庇部水压选初始水头相应值所需时间

7结论
(1)采用全封堵结构,水压力不能折减 在埋置较浅的地铁或其他市政隧道,为保护环
境,即使是采用矿山法修建的隧道工程也要象盾构 隧道那样施做全封堵的“全包”防水结构。在这种 情况下无论围岩的渗透性多么小,作用在衬砌上的 水压力荷载不能折减。水工隧洞规范提供的外水压

数同围岩渗透系数的比值。 对于复合式衬砌防水板背后设置无纺布渗透层 和盲管排水系统的情况,地下水虽然不能经由衬砌 混凝土本身渗出.但仍然可以通过衬砌背后设置的
排导系统排出,从而可以等效地认为衬砌是透水材

料。在分析中,似可采用“等效渗透系数”来反映复
合式衬砌地下水排导特性。然而,“等效渗透系数” 的确定又是一个值得研究的课题。 (3)地下水位高的深埋隧道宜采用“大堵小 排”方式

力折减系数表不适用于这种情况。
(2)只有透水的衬砌才可考虑水压力荷载的折 减

从地下水资源和生态保护出发对山岭隧道采用 衬砌水压力的折减系数主要取决于衬砌渗透系
?72?

的“以排为主”的地下水处治理念是必须改变的。

对隧道衬砌水压力荷载的讨论

但对地下水位高的深埋隧道,采用全封堵防水结构
将会使衬砌承受过大的水压力。也是不合理的。正 确的做法是通过地层注浆减小围岩的渗透系数。在

德国的一些山岭隧道,由于埋深不大,采用全封 堵结构,但水头较高时采用在仰拱以下设置排水沟 的办法来降低水压力(图7)¨J。

此基础上,施做排导结构。这样一方面可以控制地 下水排放流量,另一方面又可以避免过大的水压力
荷载。可谓之“大堵小排”。

日本青函海底隧道是采用“大堵小排”方案
的一个范例。该隧道海底段长23.3 km,最大水深
140 2.4

察蒌彰≯
●删/—r—叩\排水均
图7设置在仰拱以下的排水沟

111,地层厚100 m,如果采用全封堵,衬砌须承受

421m

MPa的水压力。通过注浆。全隧道涌水量从预测
560

可能值的1

o降低到30 m3(按主隧道长度均摊

为0.81矗/d/m,按坑道总长均摊为0.27 m3/d/m),

小于泵站抽水能力。全隧道地层注浆总量84.7×
104

一般认为,可以将40—60 m作为采用全封堵结

m3。围岩注浆后,渗出的少量地下水通过排导

构的l|缶界水头。只有当地下水位高度小于此临界值 时,采用全封堵防水才是合理的。 我国修建中的两条海底隧道最大水头恰好60
一70

系统引入隧道水沟,这就缓解了衬砌的水压力荷载, 模注混凝土衬砌厚度仅为70
cm。

采用排导方式处治地下水的隧道必须考虑排导

m。采用全封堵?采用“大堵小排”?值得比

系统的可维护性,保证排水畅通。

较一番。

参考文献
[1]王建宇.对隧道工程若干问题的质疑[J].现代隧道技术,2002增刊 [2]张有天等.隧洞水荷载的静力计算[J].水利学报,1980(3) [3]张有天等.再论隧洞水荷载的静力计算[J],水利学报,1985(3)

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2004

[5]中铁西南科学研究院研究报告.不同防排水方式下衬砌背后水压力特征的模型试验[R].2003
[6]K.Schlkora,P.v0II s00B,B.Jedelhatumr,F.Heimbecher.B.Thomee.Tunnel FarclmntAbdiehtun挚一trod

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?73?


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