一种高水压岩溶隧道衬砌水压力计算方法与流程
本发明涉及隧道水力学技术领域，具体涉及一种高水压岩溶隧道衬砌水压力计算方法。
背景技术：
随着我国经济建设的飞速发展，对于基础设施的建设，尤其是是对交通设施的建设的需求变得越来越迫切。我国幅员辽阔，以公路、铁路为主的陆运交通是交通运输的主流方式，2008年国家铁路局在修订的《中长期铁路网规划》中预期在2020年全国铁路的营运里程将达到12万公里以上，而2016年中国国家发改委在公布最新的《中长期铁路网规划》表示截止2015年底，我国铁路营业里程已达到12.1万公里，提前实现目标,并提出在此次规划期2016至2025年间，截止到2025年，铁路网规模将达到17.5万公里左右，展望到2030年，基本实现内外互联互通、区际多路畅通、省会高铁连通、地市快速通达、县域基本覆盖。在交通运输网络的串接和延伸的过程中，为提高路线线性标准，缩短里程，提高行车效率和安全性，势必修建大量的里程长埋深大的交通隧道。
在隧道建设乃至后期使用运营过程中，隧道水害一直以来都是困扰国内外专家学者及建设者的难题。由于我国交通隧道水处理研究起步较晚，在高水压富水层地区修建隧道工程中，对于突涌水问题并不能很好的把握，甚至屡次发生重大安全事故，且对于已经竣工运营的隧道，因受限于建设时期设计及施工的技术条件，普遍存在衬砌结构渗漏水的问题。根据1997年铁路隧道技术状态检查统计，在此前建成的5000余座隧道中，近70％遭遇过隧道水害，另有1502座即超过30％的隧道在运营过程中仍受水害影响。
隧道水害中，已建成运营的隧道渗漏水对隧道侵害尤为严重：首先，渗漏水裹挟围岩中的侵蚀物质使衬砌开裂，膨胀变形，风化剥落。寒冷地区，渗漏水会使边墙结冰，拱顶挂冰，入侵建筑限界同时诱发衬砌冻胀，极大的破坏了衬砌结构的承载力。且长期渗漏会形成的透水通道和反复的冻融使得衬砌水害恶性循坏，愈演愈烈，导致衬砌变形，开裂错台，拱顶掉块甚至塌方；其次，渗漏水极大干扰了隧道内部设施的正常使用，损害道床基础，使基底裂损，路基下沉，大量涌水导致的翻浆冒泥及在高寒地区的冻胀均会导致铁路线起伏不平和路轨距水平变形超限，影响线路稳定。同时，隧道渗漏水会加速内部诸如钢轨，照明，通讯，通风，排水等设备的正常使用，缩短寿命，增加维护维修费用等运营成本。特别是潮湿和锈蚀的铁轨会降低轮轨间的粘着力，造成机车牵引力的降低，列车减速甚至中断正常行车。总之，隧道渗漏水极大的影响隧道的性能和使用年限，甚至严重威胁到行车安全。
同时，传统的全排导方式，本着经济衬砌结构、便捷施工操作的目的，大量排导地下水，相当于在山体内“横置降水井”，造成严重的地表水流失，井泉干涸，水环境恶化，植被乃至整个生态系统被破坏。农田缺失灌溉用水，地层沉降及塌陷，使得原隧址居民流离失所。在海底隧道中，地下水的控制在直接与安全相关的同时也极大的增加了运营的成本，在渗漏表现较好的青岛胶州湾海底隧道，单日的抽水量也达到了4000m3，年抽水花费高达800多万元；而在我国首条海底隧道：翔安隧道，单日抽水量甚至达到12000m3，年抽水花费达2000多万元。是隧道运营的绝对沉重负担。而在采取防水材料和管片拼接式衬砌的地铁隧道，渗漏情况任然不容乐观。且在圆梁山隧道修建过程中，设计人员试图采取“巨型衬砌”的办法对抗水压力以及依赖衬砌结构自防水，但这种从环保和隧道耐久性出发的巨额花费并没有达到预期的效果。
随着环境保护问题的日益严肃和交通需求的快速增长，与之严重矛盾冲突的隧道渗漏水问题将隧道工程建设者对于此问题的重视度提升到了一个新的层次。隧道渗漏水问题这一课题已经成为了隧道灾害研究的一个十分重要的分支。然而，隧道渗漏水是隧道病害的代表性现象，成因众多，是多种病害的综合反映[6]。所以，对于隧道衬砌结构防排水的研究已经迫在眉睫，需要得出一个经济有效的解决办法来对隧道工程的勘察设计和施工进行指导，且此举将不仅对于隧道施工安全，坏境保护，运营经济可靠有深远影响，同时将极大的丰富隧道设计理论。
综上所述，目前隧道中绝大多数存在渗漏水病害，并且在隧址区域由隧道排水引起的诸多环境问题同样十分严重,因此，亟需一种更加准确的计算隧道衬砌水压力的方法，以期在隧道的勘测、设计和施工过程中进行指导，从而降低隧道的渗漏风险。
技术实现要素：
本发明的目的在于：针对目前隧道中绝大多数存在渗漏水病害，并且在隧址区域由隧道排水引起的诸多环境问题同样十分严重的问题，提供一种高水压岩溶隧道衬砌水压力计算方法，能够更加准确的计算隧道衬砌水压力，从而在隧道的勘测、设计和施工过程中进行指导，降低隧道的渗漏风险。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高水压岩溶隧道衬砌水压力计算方法，其特征在于，包括：
a、确定隧道开挖断面的地质条件，所述地质条件包括下述条件中的一种：隧道开挖断面位于均质地层内，隧道开挖断面纵向跨地层穿越；
b、将地层视作环向分布于隧道断面外，确定各地层至隧道中心的外径，以及各地层对应的水头和渗透系数；确定注浆加固圈外径、初期支护外径、二次衬砌外径及二次衬砌内径，以及其分别对应的水头和渗透系数；
c、以隧道轴线方向为z轴和半径方向为r轴的柱坐标方程对拉普拉斯方程进行变换；
d、根据darcy定律计算隧道每延米的涌水量，二次衬砌背后的水头和初期支护背后水头，在根据水的容重计算得出二次衬砌背后的孔隙水压力和初期支护背后的孔隙水压力。
作为优选，在隧道开挖断面位于均质地层内状况下，所述漏水参数的方程表达式分别为：
隧道每延米的涌水量：
二次衬砌背后的孔隙水压力为：
初期支护背后的孔隙水压力为：
式中：r1,r2,r3分别为岩体层1，岩体层2和岩体层3的地层外径，r1,r2,r3处对应水头分别为h1,h2,h3，其中h1＝h，h是岩体层1外侧的地下水位水头，各岩体层对应的渗透系数为k1,k2,k3；r4,r5,r6,r7依次为注浆加固圈外径、初期支护外径、二次衬砌外径及二次衬砌内径，rn≥r(n+1),n＝1,2,3...；对应水头分别为h4,h5,h6,h7，渗透系数分别为k4,k5,k6，其中k6为折合渗透系数；水的容重为γw。
作为优选，在所述隧道开挖断面平均穿越三层均质地层的状况下，所述漏水参数的方程表达式分别为：
隧道每延米的涌水量为：
同理，二次衬砌背后的水压力：
初期支护背后的水压力：
式中：r1为地层外径，对应水头分别为h1(其中h1＝h)，h是岩体层1外侧的地下水位水头，渗透系数在双层均质地层中不同地层段内分别为k11,k12，r2,r3,r4,r5依次为注浆加固圈外径、初期支护外径、二次衬砌外径及二次衬砌内径，对应水头分别为h2,h3,h4,h5，渗透系数分别为k2,k3,k4，其中k4为折合渗透系数；水的容重为γw。
作为优选，在所述隧道开挖断面平均穿越三层均质地层的状况下，所述漏水参数的方程表达式分别为：
隧道每延米的涌水量为：
qc3＝a+b+c+d+e
二次衬砌背后水压力为：
初期支护背后水压力为：
式中：r1为地层外径，对应水头分别为h1，其中h1＝h，h是岩体层1外侧的地下水位水头，渗透系数在不同地层段内分别为k11,k12,k13，r2,r3,r4,r5依次为注浆加固圈外径、初期支护外径、二次衬砌外径及二次衬砌内径，对应水头分别为h2,h3,h4,h5，渗透系数分别为k2,k3,k4，其中，k4为折合渗透系数。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本申请的有益效果是：能够更加准确的计算隧道衬砌水压力和涌水量，从而在隧道的勘测、设计和施工过程中进行指导，降低隧道渗漏的风险。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
图2是地下水渗流流网图。
图3是隧道开挖断面位于均质地层内的示意图
图4是图3所示隧道的计算模型。
图5是隧道开挖断面平均穿越双层均质地层的示意图。
图6是图5所示隧道的计算模型。
图7是隧道开挖断面平均穿越三层均质地层的示意图。
图8是图7所示的计算模型。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种高水压岩溶隧道衬砌水压力计算方法，包括：
a、针对高水压岩溶隧道的地质条件提出条件假设；
b、根据所述条件假设建立高水压岩溶隧道的计算模型；
c、以隧道轴线方向为z轴和半径方向为r轴的柱坐标方程对拉普拉斯方程进行变换，并根据第一隧道地质条件对变换后的拉普拉斯方程进行简化；
d、结合darcy定律并应用所述计算模型的边界条件积分求取所述计算模型条件下的漏水参数的方程表达式，并根据第二隧道地质条件对所述漏水参数的方程表达式进行简化，所述漏水参数包括隧道每延米的涌水量、二次衬砌背后的孔隙水压力和初期支护背后的孔隙水压力。
进一步的，对于图3所示状况，建立隧道开挖断面位于均质地层内的计算模型，为单层模型，如图4所示从而在步骤e中经过简化后的所述漏水参数的方程表达式分别为：
隧道每延米的涌水量：
二次衬砌背后的孔隙水压力为：
初期支护背后的孔隙水压力为：
区别于上述建立单层模型得到的漏水参数方程表达式，对于图5示状况，建立隧道开挖断面平均穿越双层均质地层的计算模型，为双层模型，如图6所示，则在步骤e中经过简化后的所述漏水参数的方程表达式分别为：
隧道每延米的涌水量为：
同理，二次衬砌背后的水压力：
初期支护背后的水压力：
区别于上述建立双层模型得到的漏水参数方程表达式，对于图7所示的状况，建立隧道开挖面平均穿越三层均质地层的计算模型，为三层模型，如图8所示，从而在步骤e中经过简化后的所述漏水参数的方程表达式分别为：
隧道每延米的涌水量为：
qc3＝a+b+c+d+e
二次衬砌背后水压力为：
初期支护背后水压力为：
进一步的，在步骤a中，所述条件假设为：
(1)隧道围岩各地层、注浆圈、衬砌结构均为各项同性的均匀介质体；
(2)地下水不可压缩且处于稳定渗流状态符合渗流定律；
(3)不计初始渗流场及相应的渗流力；
(4)为便于计算，注浆圈及衬砌结构断面均为等效周长后的圆形断面；
(5)地下水能够通过二次衬砌均匀排出。
更进一步的，在步骤b中，通过如下方法建立计算模型：以非接触地层(与隧道没有接触，也即是隧道没有穿过该地层)与隧道断面圆心的最短距离为半径，并以隧道断面圆心为圆心画圆，形成以隧道断面圆心为圆心的环状地层带。
进一步的，所述第一地质条件为水流垂直于z轴，即
实施例1
实际工程中，地下水通过初期支护和二次衬砌间的盲管等排水系统集中排放，考虑到排水系统的效率，将此部分地下水均匀分布到全断面上，作“折合渗透系数”考虑。
排水型隧道，其地下水渗流流网如图2所示。
在实际工程中，围岩是由多层透水性不同的地层不规律交替组成的层状结构，在同一地层内渗透性相差无几，但地层与地层之间，渗透性存在明显差异，在以往的计算中，研究者均将围岩按照均匀连续介质考虑欠妥，故以下模型的建立将基于隧道断面与不同渗透性地层的位置关系。
当隧道开挖断面位于均质地层内
当隧道开挖断面在单一地层内时，基于流网性质和无限含水层假设，考虑到地层法线方向经过隧道断面圆心的流线穿过地层距离最短，对水流的阻碍作用最小，故取此处同地层内渗流最为激烈的地层厚度，将地层也视作环向分布于隧道断面外，在不影响对称性简化的同时，提高了计算公式的准确性和可靠性。由此可得出简化模型如图4所示：
当隧道开挖断面纵向跨地层穿越
当隧道开挖断面跨越两层或三层等多层地层时，基于流网性质和无限含水层假设，环向地层布置分段，水头仍均匀分布在底层外，由此可得到简化模型如图6及图8所示。
本发明(1)结合流网分布，在考虑地层因素的情况下，设立隧道水压力的计算方法，根据此方法可以了分别得出在有无注浆堵水情况下的毛洞涌水量、初期支护后的涌水量及水压力、二次衬砌后的涌水量及水压力的关系，并且据此评估注浆堵水在毛洞、初支以及二次衬砌条件的效率问题。
(2)根据上述计算方法结合实际边界条件可以得出在相同情况下增大注浆加固的范围比提高注浆加固的效果更能提高止水效率，止水效果更明显，相同注浆效果条件下，在注浆范围5m范围内，水压力急剧降低，继续增加注浆加固范围水压力降低速率逐渐变低。
(3)根据本发明的计算方法，可以得出注浆效果以及范围对隧道涌水量多少以及衬砌水压力大小起到至关重要的作用，注浆圈厚度越大、渗透系数越小堵水效率越高，在单位时间内到达衬砌背后的水量越少，故而隧道涌水量越少，衬砌水压力越小，但在实际操作中，一味降低注浆圈的渗透系数同时加强注浆范围并不经济且会严重影响进度。通过分析发现，在注浆加固圈厚度未超过7.4m，被注浆层原有渗透系数在加固圈渗透系数20倍以内时，注浆堵水效率有明显改善，再继续扩大注浆范围或者减小渗透系数，效果有限。故注浆加固圈合理厚度应为7m左右，渗透系数应在原地层的1/20左右。
(4)根据发明的方法进行分析，对于初期支护而言，排水量的减小势必造成水压力的增高，并且在厚度0m～1.2m范围内或渗透系数在原地层1/4内时剧烈变化，此时应根据隧道排水允许值和隧道结构设计综合考虑，确定初期支护厚度以及渗透性。对于初期支护的讨论对于二次衬砌同样适用。在考虑二次衬砌与初期支护之间排水系统排水效率作为二次衬砌渗透系数时，出于安全考虑，需分析堵塞情况，即二次衬砌渗透系数陡然升高所带来的压力增量。
凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！