一种确定深部地下隧道结构及外围水压力折减系数的方法与流程

本发明涉及深部地下隧道结构，具体涉及一种确定深部地下隧道结构及外围水压力折减系数的方法。

背景技术：

1、地下水控制是地下空间开发中无法避免的重要课题。在城市浅部地下空间，已有较为成熟的地下水控制技术，而城市深部隧道的地下水控制，亟需技术探索。

2、目前城市浅部地下隧道等结构防水主要以设置隔水帷幕圈+防水层并结合结构自防水设计。地下隧道等结构的排水以明排为主，常见设置排水沟如下：(1)环向排水盲沟：沿横向结构纵向均匀布置的环向排水盲沟，承担着直接搜集由围护结构、初期支护渗透而来的地下水。环向排水盲沟可以不封闭(如图1所示)或者封闭(如图2所示)；(2)纵向排水盲沟：与竖井结构不同的是，纵向排水盲沟，仅需在外部排数系统的底部设置，其作用是收集环向排水沟汇入的地下水，并排水横向结构空间内部的排水系统。

3、在设置排水沟的同时，内部结构更多采用横沟、或纵向排水沟，然后进一步集中抽排，部分结构采用局部设置引水盲管或泄水洞的形式抽排，以保证施工期间无明水作业，运营期间无渗漏水。

4、现有的众多防排水技术，在城市浅部地下空间运用成熟，但依然存在以下问题：1)不考虑外部水压力的折减，按完全防水全水压、或完全排水零水压确定；2)各专业不尽相同，铁路等部分行业隧道提出可考虑采取折减外水压力的措施，但未明确给出确定方法，不具备定量计算能力；3)水工等部分行业隧道提出根据围岩渗透性等级、地下水活动状态确定外水压力取值范围的方法，但仍无法准确计算外水压力，且无法描述外水压力与隔水帷幕、隧道尺寸、排水盲管等的关系；4)对于城市深部地下水处理要求，一定程度可以借鉴浅部结构防排水的经验，但与既有浅部工程差异依然十分明显，其主要体现在于施工期的严格防水以及运营期的调水调压控制。

5、目前城市深部地下隧道外围水压力无法定量计算，各行业也未有统一的计算方法来确定隧道外部水压力的折减。按照完全防水考虑，往往造成隧道结构或防水材料的富裕度过大，按照全排水考虑又导致明排措施增加。因此，有必要设计一种确定深部地下隧道结构及外围水压力折减系数的方法，对城市深部地下隧道外水压力与其尺寸、隔水帷幕及排水盲管间的关系进行定量描述，为特定的深部地下隧道尺寸及工法确定其结构外侧水压变化，对精细化防排水设计有重要工程实践意义和应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种确定深部地下隧道结构及外围水压力折减系数的方法，可以实现对深部地下隧道二衬/管片外围水压力折减系数的定量计算，为特定的深部地下隧道结构外侧水压变化的调节、隧道等类似地下结构设计以及精细化防排水设计提供理论方法。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为一种确定深部地下隧道结构外围水压力折减系数的方法，包括如下步骤：

3、s1、根据深部地下隧道实际工程，建立隧道及排水盲管的概化模型，获得概化模型的特征参数值；

4、s2、根据概化模型建立隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max的计算公式；

5、s3、建立外水压力折减系数η的计算公式：其中，h0为隔水帷幕圈外围沿隧道中心线处距地下水位的水头高度，根据公式计算外水压力折减系数η。

6、进一步地，步骤s2中，先根据概化模型分别确定隔水帷幕圈渗入间隙面层的渗流量q1以及间隙面层汇入排水盲管的渗流量q2与隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max的关系，再根据q1＝q2，建立隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max的计算公式。。

7、更进一步地，隔水帷幕圈渗入间隙面层的渗流量q1的计算公式为：

8、

9、其中，q为汇入一个排水盲管的一半排水量q，r1为隧道二衬/管片外径，r0为隔水帷幕圈外径，kc为隔水帷幕圈渗透系数、t为间隙面层厚度、km为间隙面层渗透系数，h0为隔水帷幕圈外围沿隧道中心线处距地下水位的水头高度，d为排水盲管中心距。

10、更进一步地，间隙面层汇入排水盲管的渗流量q2的计算公式为：

11、

12、其中，a为过水面积，i为水力坡降。

13、进一步地，隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max的计算公式为：

14、

15、其中，r1为隧道二衬/管片外径，r0为隔水帷幕圈外径，kc为隔水帷幕圈渗透系数、t为间隙面层厚度、km为间隙面层渗透系数，h0为隔水帷幕圈外围沿隧道中心线处距地下水位的水头高度，d为排水盲管中心距。

16、作为一种实施方式，步骤s3中，先将特征参数值代入隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max的计算公式中计算出h1max的值，再将h1max的值代入外水压力折减系数η的计算公式中，计算出外水压力折减系数η。

17、作为另一种实施方式，步骤s3中，先将隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max的计算公式代入外水压力折减系数η的计算公式，得到外水压力折减系数η的计算公式为：

18、

19、然后代入特征参数值计算出外水压力折减系数η。

20、进一步地，步骤s1中，根据深部地下隧道的实际工程及设计模型，假定隧道衬砌及周围岩土体都是均质体、材料渗透系数在各个方向相同且渗流方向以径向为主，不考虑浮力的影响，建立隧道及排水盲管的概化模型。

21、更进一步地，作用于隧道二衬/管片上的水头高度，其沿隧道纵轴方向服从线性分布，在设置排水盲管处水头高度为0，在两个排水盲管连线正中间位置处水头高度达到最大值。

22、本发明还提供一种确定深部地下隧道结构的方法，先根据深部地下隧道实际工程确定隔水帷幕圈渗透系数kc、间隙面层渗透系数km、间隙面层厚度t；然后根据不同隧道二衬/管片外径r1、隔水帷幕圈厚度t，结合权利要求1-9任一项所述的方法，研究排水盲管中心距d对外水压力折减系数η的影响；再根据研究结果，在深部地下隧道实际工程中调整隔水帷幕圈厚度t和排水盲管中心距d，改变外水压力折减系数η的大小以满足防排水设计要求。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、本发明先根据深部地下隧道实际工程建立隧道及排水盲管的概化模型，并获得概化模型的特征参数值，然后根据概化模型建立隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max的计算公式，最后建立外水压力折减系数η为隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max与水帷幕圈外围中心距地下水水头高度h0的比值，计算出外水压力折减系数η的精确值，为隧道结构的受力监测及防排水的设计提供行之有效的定量计算方法。通过定量计算外水压力折减系数η，可为特定的深部地下隧道结构外侧水压变化的调节、隧道等类似地下结构设计以及精细化防排水设计提供理论方法，具有重要工程实践意义和应用前景。

技术特征：

1.一种确定深部地下隧道结构外围水压力折减系数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的确定深部地下隧道结构外围水压力折减系数的方法，其特征在于：步骤s2中，先根据概化模型分别确定隔水帷幕圈渗入间隙面层的渗流量q1以及间隙面层汇入排水盲管的渗流量q2与隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max的关系，再根据q1＝q2，建立隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max的计算公式。

3.如权利要求2所述的确定深部地下隧道结构外围水压力折减系数的方法，其特征在于：隔水帷幕圈渗入间隙面层的渗流量q1的计算公式为：

4.如权利要求3所述的确定深部地下隧道结构外围水压力折减系数的方法，其特征在于：间隙面层汇入排水盲管的渗流量q2的计算公式为：

5.如权利要求2所述的确定深部地下隧道结构外围水压力折减系数的方法，其特征在于：隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max的计算公式为：

6.如权利要求5所述的确定深部地下隧道结构外围水压力折减系数的方法，其特征在于：步骤s3中，先将特征参数值代入隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max的计算公式中计算出h1max的值，再将h1max的值代入外水压力折减系数η的计算公式中，计算出外水压力折减系数η。

7.如权利要求5所述的确定深部地下隧道结构外围水压力折减系数的方法，其特征在于：步骤s3中，先将隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h1max的计算公式代入外水压力折减系数η的计算公式，得到外水压力折减系数η的计算公式为：

8.如权利要求1所述的确定深部地下隧道结构外围水压力折减系数的方法，其特征在于：步骤s1中，根据深部地下隧道的实际工程及设计模型，假定隧道衬砌及周围岩土体都是均质体、材料渗透系数在各个方向相同且渗流方向以径向为主，不考虑浮力的影响，建立隧道及排水盲管的概化模型。

9.如权利要求8所述的确定深部地下隧道结构外围水压力折减系数的方法，其特征在于：作用于隧道二衬/管片上的水头高度，其沿隧道纵轴方向服从线性分布，在设置排水盲管处水头高度为0，在两个排水盲管连线正中间位置处水头高度达到最大值。

10.一种确定深部地下隧道结构的方法，其特征在于：首先根据深部地下隧道实际工程确定隔水帷幕圈渗透系数kc、间隙面层渗透系数km、间隙面层厚度t；然后根据不同隧道二衬/管片外径r1、隔水帷幕圈厚度t，结合权利要求1-9任一项所述的方法，研究排水盲管中心距d对外水压力折减系数η的影响；再根据研究结果，在深部地下隧道实际工程中调整隔水帷幕圈厚度t和排水盲管中心距d，改变外水压力折减系数η的大小以满足防排水设计要求。

技术总结
本发明涉及深部地下隧道结构技术领域，具体涉及一种确定深部地下隧道结构及外围水压力折减系数的方法，先根据深部地下隧道实际工程建立隧道及排水盲管的概化模型，并获得概化模型的特征参数值，然后根据概化模型建立隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h<subgt;1max</subgt;的计算公式，最后定义外水压力折减系数η为隧道二衬/管片外层最大外水压力水头高度h<subgt;1max</subgt;与隔水帷幕圈外围沿隧道中心线处距地下水位的水头高度h<subgt;0</subgt;的比值，计算出外水压力折减系数η的精确值。本发明可以实现定量计算外水压力折减系数η，为特定的深部地下隧道结构外侧水压变化的调节、隧道等类似地下结构设计以及精细化防排水设计提供理论方法，具有重要工程实践意义和应用前景。

技术研发人员：曹珂,石林,谢俊,黄振科,安晓晓,董俊,陈远洲,于群丁,林作忠,周兵,王华兵,向贤华,毛良根,陈剑伟,闫顺
受保护的技术使用者：中铁第四勘察设计院集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15