限量排放下富水隧道衬砌外水压力计算探讨

从隧道涌水量预测、水工隧洞求解衬砌外水压力常用的折减系数法等方面,通过简化模型分析隧道富水段在“限量排放”下的衬砌外水压力计算方法,并探讨“限量排放”的实施问题,得出一些有益的结论供设计参考。     

高压富水区山岭隧道施工注浆堵水技术研究

为了保障高压富水区山岭隧道施工安全,现场经常采用注浆堵水措施,而目前隧道注浆堵水时地下水渗水量和支护结构外水压力变化特性尚有待于进一步研究。依托南大梁高速公路华蓥山隧道工程,基于复合式衬砌山岭隧道"堵水限排"的防排水理念,采用理论分析和数值模拟方法,分析了高压富水区复合式衬砌山岭隧道围岩注浆堵水时地下水渗流场特征,推导了高压富水区山岭隧道采取注浆堵水时隧道渗水量和支护结构外水压力的计算公式,得到了隧道渗水量及支护结构外水压力与注浆圈厚度、围岩和注浆圈渗透系数之比及围岩和初期支护渗透系数之比间的关系。研究结果表明:高压富水区山岭隧道注浆堵水时,隧道渗水量和支护结构外水压力的主要控制因素为:注浆圈厚度、注浆圈及初期支护的渗透系数;隧道渗水量和支护结构外水压力随着注浆圈厚度的增加及其渗透系数的减小而降低,综合考虑注浆堵水效果及施工成本,建议注浆圈厚度为6～8 m、围岩与注浆圈渗透系数之比为100～200时较优;高压富水区山岭隧道防排水系统设计,需要考虑注浆圈和初期支护堵水作用以及横纵向排水管排水效果,即综合防排水设计才可以减小排水量,有效降低支护结构外水压力。研究所得隧道注浆堵水的相关参数成功应用于实际工程,为高压富水区隧道工程注浆堵水设计与施工提供了一定的参考。     

深圳某富水围岩大跨隧道防排水体系分析

近年来,大量地下工程修建在富水地层中,有效的防排水体系设计是保障此类隧道修建和运营安全的关键因素。为了研究限排敏感区域的防排水体系适用性,以在建的深圳东部过境高速公路连接线工程为依托,在考虑分区防水初步设计的基础上,利用有限元软件精细化三维建模计算,比选了隧道全排水、不排水、全包-限量排放防水、半包-限量排放防水等4个设计方案。计算结果验证了在富水围岩地区采用全包限量排放防水的可行性,总结了4种不同防排水方案水压力分布规律,提出了适用于现场工程的注浆圈控制渗透系数,注浆圈施工范围,排水盲管间距、衬砌外水压力折减系数等防排水系统设计关键参数。     

基底状况对山岭隧道仰拱结构受力的影响研究

以云南地区某高速公路隧道为依托,针对隧道仰拱开裂状况,采用荷载-结构法建立隧道结构计算模型,分析外水压力、基底软化两种典型基底状况对隧道仰拱受力的影响,从而明确隧道仰拱病害成因。计算结果表明:外水压力和基底软化对仰拱结构受力的影响规律相一致,引起了衬砌结构内力重分布,改变了仰拱结构弯矩分布形态,仰拱弯矩由"驼峰状"分布向"鱼肚状"分布变化,弯矩最大值由两侧向仰拱中心转移;增大了仰拱结构偏心程度和应力集中情况,使仰拱结构受力条件恶化,易导致仰拱中心处发生拉裂破坏。比较而言,地下水的影响更为明显。外水压力和基底软化共同作用是引起本依托工程仰拱开裂的主要原因。     

公路隧道外水压力的相似模型试验研究

针对确定公路隧道衬砌外水压力的技术难题,利用自行设计的模型试验装置,采用相似理论,进行了38组工况试验。试验主要研究了水头高度、渗透系数、隧道排放量以及组合排放系统等因素与外水压力和折减系数的关系。通过对相似准则的分析得出,进行工程类比时应注意水头高度的相似关系为平方关系。试验结果表明:水头高度越小、隧道排放量越大、围岩渗透系数越小,隧道外水压力则越小;无论隧道是否完全封堵,只要周边存在排水点,且隧道在其渗流影响的范围之内,隧道外水压力就可折减。此外,深入分析组合排放系统的试验结果,提出了对于隧道周边富水洞穴应采用"复合回填"的处治方式的理念。最后指出,采用这种相似模型试验确定的外水压力是岩石隧道外水压力的上限值。     

隧道地下水处治的国内外研究现状分析

为深入研究隧道设计、施工面临的地下水处治难题,为高压富水隧道设计、施工提供理论依据,对隧道地下水处治技术的现状进行分析。不同部门在不同时期和社会经济条件下,提出了不同规范和地下水处理措施。针对隧道工程设计、施工过程所遭遇的地下水问题,尤其是隧道衬砌水压力荷载问题,各行业部门在隧道(洞)工程支护结构设计中对富水地层地下水压力对支护结构的影响认识并不一致,尤其是对外水压力能否折减仍存在一定争议,对地下水作用的认识仍未达成共识。为此,对隧道地下水问题从概念和方法上进行研究,在研究现状及存在的主要问题分析基础上,提出了下一步研究思路。     

隧道衬砌外水压力确定的渗流场-应力场耦合模型研究

论述了国内外计算隧道衬砌外水压力的折减系数法和渗流场计算方法。分析了公路隧道围岩渗流场-应力场的耦合机理,并以此建立了计算外水压力的数学模型。同时提出了一种简化模型来表示两场的耦合本构关系,并给出了计算公路隧道衬砌外水压力的有限元方法步骤。     

山岭隧道"控制排水"原则下的围岩注浆

通过对山岭隧道新的排水原则的理解,指出了要在隧道开挖前进行预注浆堵水,从而达到“控制排水”原则的目的;提出了在围岩注浆情况下隧道的两种外水荷载的概念;并分别对加固圈和衬砌结构的外水荷载进行了受力分析,分析结果表明,在现有的技术条件下,单纯的围岩注浆,虽然可以达到堵水的目的,但并不能保证衬砌结构的安全,还必须采取“小排”的方式,排除衬砌背后多余的水,以消除衬砌背后的外水压力。     

深埋山岭富水公路隧道衬砌结构设计模拟分析

由于近年来环保要求的提高,在富水隧道工程中提出了"以堵为主、限量排放"的治水理念,该理念要求设计者充分考虑山岭富水地段隧道设计中衬砌结构的抗水压能力。采用"荷载-结构"模型对全断面承压情况下抗水压衬砌结构进行分析,通过分析3种不同隧道衬砌结构形式的受力特征,在"安全实用,质量可靠,经济合理"的原则下,设计了0.3 MPa外水压作用下深埋公路隧道衬砌结构形式,采用SK1形衬砌控制超前注浆加固区折减系数不大于0.6,对于外水压大于0.3 MPa工况,采用相应增大衬砌截面厚度设计,衬砌根据富水段水压进行分段设计。     

富水隧道施工期及运营期衬砌结构力学特性研究

以米亚罗3号隧道为依托工程,首先通过现场实测应力监测数据,对米亚罗3号隧道施工期支护结构应力的演变规律进行了分析研究;然后进一步借助数值分析软件,对不同初始水头高度下,米亚罗3号隧道运营期间围岩和衬砌结构的力学特征进行了研究。应力监测结果表明:隧道上台阶开挖后,拱顶和拱肩处的围岩-初支接触压力、钢拱架应力和外水压力迅速增大,约在30~40d后趋于稳定;下台阶开挖后,拱腰处的接触压力、钢拱架应力和外水压力快速增长,约在30~50d后趋于稳定;随着下台阶的开挖,拱肩处的围岩-初支接触压力再度缓慢增长,而钢拱架应力则明显下降;二衬施作后,其内力快速增长,并在20d后趋于稳定。数值模拟结果表明:当初始水头高度增加时,运营期间米亚罗3号隧道的洞周位移、二衬内力和外水压力均成一定比例的增加;隧道变形主要为竖直和水平方向的挤压变形,最大位移发生在拱底;相对于无地下水的情况,地下水的存在会影响衬砌弯矩分布,导致弯矩最大截面从拱顶转移至拱脚;衬砌所受外水压力在拱底处最小,其余部位分布较为均匀;随着初始水头的增大,拱腰和拱脚背后围岩的塑性区范围会明显增加。     

富水大断面公路隧道水压模型试验及衬砌结构力学行为研究

为研究隧道衬砌在围岩压力及外水压力综合作用下的受力特征、结构安全性及破坏过程,采用自制的均匀水压模拟加载装置及隧道地层复合试验台架,实现对围岩压力及外水压力的分别控制加载,完成在深埋条件下不同外水压力作用下衬砌结构受力模型试验。运用ANSYS有限元软件分阶段计算衬砌在水土压力作用下的受力特征,计算各部分安全系数,并与试验结果对比分析。研究表明：采用抽真空的方法模拟外水压力时,外水压力值越大,试验结果越接近真实情况,当外水压力达到150 kPa时,其差值可控制在5%以内;在外水压力及围岩压力的作用下,墙脚及拱底分别受最大正弯矩及最大负弯矩作用,且安全系数较其他位置小;随着外水压力的增大,衬砌所受的轴力及弯矩持续增大,且增大速率基本呈线性,其中墙脚位置增长速率最快;随着荷载的增大衬砌结构墙脚最先发生破坏,墙脚裂缝发展导致衬砌结构应力重分布,最终引起拱底开裂;墙脚的裂缝导致墙脚处承受的正弯矩不断减小,拱底承受的负弯矩不断增大,安全系数不断减小;当墙脚的裂缝宽度发展至1.5~2.0 mm时,试验数据及数值模拟结果计算所得拱底安全系数降低至1.5左右,拱底不再满足承载要求,与试验中衬砌的开裂行为相吻合。所提出的模型试验方案可为类似模型试验提供参考,研究成果可为富水大断面公路隧道的设计及安全评估提供依据。     

限量排放下的隧道地下水渗流分析

以广东某在建高速公路隧道工程为例,通过地下水渗流计算分析,确定隧道富水段注浆后岩体渗透系数,最终实现地下水的限量排放。渗流计算采用连续介质模型,主要考虑泄水孔间距、隧道承压水头以及渗透系数的变化,分析孔隙水压力分布、地下水渗流路径,以及渗透系数与渗流量之间的关系,隧道富水段围岩注浆后,其渗透系数理论上不应超过2x10-5m／s控制指标的结论,可为隧道工程的安全施工提供较好的理论指导。     

砂卵石地层地下水对盾构隧道影响的离散元流固耦合分析

为探明砂卵石地层中地下水对盾构隧道衬砌上的土压力以及地层变形的影响,以成都地铁2号线为依托,采用颗粒流方法,从细观角度模拟分析地下水对盾构隧道衬砌荷载分布以及地层扰动的规律,研究盾构隧道动态施工过程中及后期稳定后的水、土压力分布。研究表明： 考虑地下水工况时的衬砌荷载小于不考虑地下水的工况,开挖后地下水位越高,衬砌荷载越小;地下水分布影响隧道开挖后洞周应力重分布,拱顶处受到的影响最大,拱肩处受到的影响最小;盾构隧道开挖后,拱顶上方存在一定范围的松动区,在松动区上方一定范围形成坍落拱,起到承载作用,同时将上方土荷载有效地传递到洞周两侧。考虑地下水时,由于有效应力减小,地层变形相应减小,地层受盾构施工扰动的影响减弱。     

腐蚀离子环境中盾构隧道衬砌结构侵蚀劣化机理

为揭示外水压与周围腐蚀离子环境长期耦合作用下盾构隧道衬砌结构侵蚀劣化机理,对压力渗透下管片混凝土多孔介质渗透深度与离子侵蚀运移进行理论解析,建立管片接头离子侵蚀对流-弥散运移数值模型,在一维渗流状态下验证了考虑压力渗透作用的腐蚀离子侵蚀理论的合理性,并建立可考虑压力渗透、离子对流-弥散运移以及管片接头非连续的盾构隧道衬砌结构离子侵蚀数值模型,重点分析了整环管片衬砌结构侵蚀劣化规律。结果表明:水压力的存在对海水渗透具有促进作用,外水压力越大,对海水渗透效果越显著;外水压力的增大将导致氯离子含量的增加,外水压力越大,同一位置累积到相同离子浓度所需的累积时间越短;管片接头处离子含量分布具有局部集中的特点,整环管片衬砌结构离子侵蚀大小关系为拱顶拱腰拱底;服役初期仅管片接头附近外排钢筋出现锈蚀,而后出现外排钢筋整体性锈蚀,体现出不均匀锈蚀的特点,且随着服役时间的延长,外排钢筋不均匀锈蚀差异减小。     

岩溶山区隧道地下水漏失对植物生长的影响分析及对策

为研究隧道建设引起的地下水漏失对周围生态环境的影响,依托穿越中梁山山脉通向重庆市区西部的3条重叠相交岩溶隧道（襄渝铁路中梁山隧道、渝遂高速公路大学城隧道和成渝客专铁路歌乐山隧道）的地下水漏失情况,对其影响区内的生态环境及植被生长进行长期监测与综合分析,利用树轮宽度均值探讨地下水漏失对隧址区优势植物（马尾松、杉木）的生长影响,提出基于生态环境保护的隧道地下水“以堵为主、限量排放”的建设思路。研究结果表明: “以排为主”的襄渝铁路中梁山隧道,造成马尾松生物量明显降低（衰退幅度达71.4%）,而“以堵为主、限量排放”的其他2条隧道对马尾松的影响则相对小; 3条隧道的建设对杉木的生长都产生了不利影响,影响范围在隧道轴线两侧1 km左右; 基于马尾松出现生长恢复的时期（1992-1997年）,建议将此阶段的最低地下水位作为隧址区地下水生态平衡埋深下限值,进而确定中梁山地区隧道的“以堵为主、限量排放”中限量排放的生态地下水位值,为岩溶山区隧道限量排放的地下水位控制提供参考。     

条石衬砌公路隧道病害检测及安全性评估

采用地质雷达对白岭窟隧道条石衬砌壁后空洞病害进行了检测,基本探明了该隧道壁后空洞的分布形态和分布规律。根据病害检测结果,开展了不同空洞组合、不同围岩特性、特定位置不同外水压力、不同衬砌厚度等条件下衬砌的内力有限元分析,并对衬砌结构进行了整体抗拉(压)强度检算、偏心距检算以及条石衬砌灰缝局部抗拉和抗剪验算,继而对隧道的整体安全性进行了评估。     

富水黄土隧道地下水处治技术研究

为解决富水黄土隧道在施工过程中出现的各种病害,基于穿越富水黄土地层的乔原隧道工程,通过理论计算和分析,得出了衬砌水压力与围岩渗透系数之间的关系,在此基础上提出了利用二重管无收缩双液注浆法和防股流涌水型防排水结构形式结合的处治方法,在现场得以应用并取得了良好的效果。研究结果表明,利用"荷载-结构物模型"把渗透力的作用问题等效为孔隙水压力表面力的作用问题,从而可通过建立关于水压力的等式,得出水压力的折减系数;通过控制注浆圈渗透系数,可将衬砌水压力控制在合理的范围内;采用二重管无收缩双液注浆法和防股流涌水型防排水结构形式,既可减小地下水排泄量、保护地下水环境,又避免了过大水压力对隧道衬砌结构的危害。     

大断面浅埋小净距隧道衬砌计算研究

通过对浅埋小净距隧道围岩压力的计算进行分析,得出隧道围岩压力的计算公式。以白山大断面小净距隧道为例,采用荷载结构法对隧道衬砌进行了检算,得出衬砌安全系数,并与规范值进行对比,以此评定隧道衬砌设计的合理性,对大断面浅埋小净距隧道的设计有一定的指导意义。     

海底隧道修建中注浆加固圈参数研究

海底隧道开挖时采用注浆加固措施,可显著减小隧道涌水量、降低衬砌背后水压力,而其关键在于合理地确定注浆圈参数。通过理论计算和分析,得出注浆圈参数变化对隧道涌水量的影响规律;利用安全系数法,采用Flac软件对围岩稳定性进行数值模拟分析,得出围岩稳定的安全范围。在此基础上提出应从隧道涌水量的大小和围岩稳定性2方面综合考虑确定注浆加固圈的参数。     

隧道工程高水头地下水的处治探讨

高水头地下水长久以来一直威胁着隧道工程的建设施工,对生态环境也有影响。处在高水头富水层中的隧道工程应将处理地下水作为首要任务,建设隧道工程时,地下水的处理应保证不对当地生态环境进行破坏,并且优化工程衬砌构成。同时应该适度控制地下水排量以及适度减小地下水对工程主体的压力。对通天河隧道进口富水段处治方案的研究,利用数学分析方法对渗流理论进行数据推导,获得水压力折减系数数学表达式,提出在地下水水头大的工程里不适于使用全封堵型衬砌建议。