西南交大隧道设计第二次作业——水下隧道衬砌结构上水压力分布模式

《隧道与地下工程设计方法》课程作业2- 水下隧道衬砌结构上水压力分布模式

姓名：***

学号：***

学院：土木工程学院

专业：桥梁与隧道工程

任课教师：曾艳华、张俊儒教授

二〇一五年五月二十九日

目录

1引言 (2)

2衬砌水压力估算方法 (3)

2.1折减系数法 (3)

2.2解析法 (4)

2.3数值计算法 (5)

3渗透问题的复杂性以及工程实用简化处理 (6)

3.1岩体渗透特性的连续性假定 (6)

3.2地下水作用的两种计算模型 (6)

3.3“荷载-结构物”模型和衬砌水压力 (7)

4衬砌外水压力的修正系数[5] (7)

4.1初始渗流场水压力 (8)

4.2隧道建成后作用于衬砌外水压力 (8)

4.3防渗排水措施对衬砌外水压力的影响 (9)

5当岩石透水性十分微弱时衬砌的外水压力 (9)

6减小衬砌外水压力的有效措施 (10)

参考文献 (11)

水下隧道衬砌结构上水压力分布模式

1 引言

目前各国设计规范对于隧道衬砌外水压力的规定不尽相同，日本土木学会修订出版的《土木工程手册一隧道分册》明确了水压力为各类随道结构承受的重要荷载。美国《隧道工程手册》认为，如果衬砲需要抵抗水压力，水压力的大小将决定整个设计，如采用复合式衬砲，假定在防水层外侧存在静水压力，内层衬砲需要抵抗此静水压力。前苏联的公路險道设计规范也将衬砲外水压力作为设计的永久荷载。

我国《铁路隧道设计规范（TB 1003一2005》规定：“隧道防排水应采取防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，地下水若是采取以排为主的方式，确定衬砌荷载条件时可不考虑水压力。《公路隧道设计规范（（JTGD70一2004） ））规定的防排水原则基本上和《铁路隧道设计规范》相同，对地下水以疏导为主，设计荷载不考虑水压力。当隧道位于地下水位以下时，应采用抗水压衬砌，但对于水压力的计算方法并未做出说明。《地铁设计规范（GB50157一2003）》规定地下水处理应遵循“以防为主、刚柔结合，多道防线，因地制宜，综合治理”的原则。根据施工阶段和长期运营阶段地下水位的变化，区分不同的地质条件，按照静水压力计算，或者把水压力作为土压力的一部分计算。

《水工隧洞设讨一规范（SL279一2002）》规定设计荷载应考虑地下水对隧道结构的作用，衬砌外水压力有条件时可通过渗流分析确定，对于一般地段和简单工程可采用静水压力乘以折减系数的方法解决。

设计规范的进步与工程技术进步密不可分，在早期隧道施工中并没有充分认识到水的危害，对地下水采取“以排为主”的处理原则，因此在设计中不考虑水压力。后来有很多“以排为主”的隧道对环境造成了很大的破坏，也有很多隧道由于对水压力考虑出现了严重病害，各国的规范逐渐对衬砌外水压力予以重视，要求在设计中考虑水压力。但是对于衬砌外水压力如何取值没有予以明确，仅有几种估算方法。①折减系数法，用静水压力乘以折减系数β来考虑水压力，日在0.15~0.9之间变化，澳大利亚、美国有时采用此法；②全水头法，取1=β，德国、日本常用；③可能最大水

头值，最高可能地下水位在地面，据此计算静水压力作为设计水压力，如巴西、加拿大。这三种方法以折减系数法应用较广，另外解析法和数值计算法也有较多的研究成果。

从以上分析可以看出，水压力是水下隧道衬砌结构承受的主要荷载，但现行隧道设计规范对水压力计算还不够具体和深入，对于围岩、注浆圈、衬砌和排水系统组成的渗流场，如何确定衬砌外水压力还有待研究。在衬砌结构的设计过程中，荷载一结构模型得到了广泛的应用，但对于水下隧道来说，衬砌水压力的确定是一个难题，因此有必要对海底隧道衬砌水压力进行系统的研究。

2衬砌水压力估算方法

2.1折减系数法

折减系数法在水工隧道中应用较多，它以地下水的活动状态即毛洞开挖隧道临空面的状态以及地下水对围岩稳定的影响来确定水压力折减系数刀。铁路和公路隧道在应用折减系数法时容易走向一个误区，认为衬砌内表面是干燥的，在确定水压力时采取比较小的值。事实上如果不给水以出路，无论围岩的渗透系数再小，注浆效果再好，衬砌最终还是要承受全部水压力。在设置防水系统的隧道中，如何应用折减系数法是一个值得商榷的问题。由于防水板的作用，复合式衬砌隧较少出现裂缝，按照规定β值应选得大一些。但是在防水板和衬砌之间有排水系统，地下水从排水系统渗出，β值又应取得小一些。折减系数法应用于复合式衬砌隧道时计算外水压力时，β值的选取还值得研究。

为了使折减系数法更加实用，众多学者对其进行了改进，如李定越把折减系数修正为三个修正系数，考虑了防排水措施以及围岩与衬砌渗透系数的比值。原铁道部东北设计院根据围岩渗透系数和衬砌渗透系数的比值估算日值，王建宇也针对衬砌和围岩渗透系数的比值对一衬砌水压力的影响进行了计算。由以上分析可见，折减系数法大多是经验或半经验性的，都考虑了围岩、衬砌的渗透性及隧道防排水体系等影响因素，在水工隧道等工程中得到了较为广泛的应用。但是对于以水压力为主要荷载的高

水压隧道和水下隧道来说，这样近似确定水压力的方法还不够，需要做更深入的分析。

2.2 解析法

解析法具有概念清晰，讨一算简便的优点，其所用的理论大多是以Darcy 定律为基础的地下水水力学理论，对边界条件做适当的假定，推导出水压力分布的规律，从而得到衬砌外水压力的理论值。早在1962年Harr 就基于镜像法原理求得了隧道围岩孔隙水压力分布，如式（1）：

()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎥⎦⎤⎢⎣

⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+

---=θθθγθγsin r h r h ln sin r h r h ln sin r h sin r h P w w w w w w w w 0004141 （1）

其中：0r —隧道半径；

h —隧道中心距地下水位线垂直距离；

r —隧道中心到计算点的距离

θ—隧道与虚拟隧道中心连线顺时针算起的角度。

经过实践验证，Harr 解在求解高水压隧道中的水压力分布时有较高的精度。张有天等提出了水荷载作用下隧洞静力计算三原则：①隧洞的水荷载是作用于包括隧洞和围岩在内的地下水位以下空间的渗透场力；②由水荷载引起的隧洞的应力状态决定于水荷载的历史；③衬砌与围岩有条件地联合工作，强调应按渗流荷载增量理论分析隧洞应力，这实际是渗流与应力祸合计算模型，计一算过程比较复杂。Bouvard.M 假定隧道周围径向流动，提出了渗流计算公式。A.Bobet 通过解析模型研究了有水和无水围岩中衬砌应力，并比较了全排水和全封堵情况下衬砌应力，其研究开创了解析法研究不同渗流量下衬砌结构应力的先例。国内方面，王建秀、杨立忠等提出了用解析方法求出隧道渗流量，再据此利用数值计算的方法求得衬砌后水压力的解析一数值方法。皇甫明利用复变函数方法推导了海底隧道注浆圈外水压力的计算公式。对于深埋隧道，其截面半径远小于远场水头，局部排水点可以处理为一个井。王秀英防’林良据无限含水层中竖井的理论，推导出了山岭隧道渗流量和衬砌外水压力的解析解，高新强也得到了类似的结论。