高水位富水隧道衬砌结构设计刍议

    摘  要：本文应用渗流理论建立岩体渗流计算模型，推导了隧道衬砌外缘剩余水头的计算公式，并对荷载-结构计算模型、理论解析计算和有限元计算三种抗水压隧道衬砌结构设计方法予以介绍。
    关键词：高水位外水荷载 隧道衬砌结构设计

　　1. 前言
　　在西南地区修建铁路、公路时，都不可避免地出现隧道工程，且越来越多的隧道穿越高水位富水地区，如成渝公路中梁山梁道、缙云山隧道、广渝公路华蓥山隧道及渝怀铁路圆梁山隧道等。目前，为实现可持续发展，人们对生态环境的保护日益重视，同时，衬砌结构的防水要求也日益提高。因此，如何正确合理地进行抗水压衬砌结构设计，是目前隧道设计中值得深入研究的课题。
　　2. 外水荷载对衬砌结构作用的基本形态
　　众所周知，根据伯努里方程，水下空间任一点的水力势为：

(1)

　　式中：Z---该点的相对高程，代表单位液体的位能；
　　　　　P---该点的水压力，P/γ代表单位重量液体的压能；
　　　　　γ---水容重；
　　　　　α---动能修正系数，实际动能与按断面平均流速计算的动能之比值，一般α>1，在工程计算中常取α=1；
　　　　　v---该点液体的流速，αv²/2g代表单位重量液体的动能；
　　　　　g---重力加速度。
　　式（1）中水力势H或水压力P是标量，它没有方向性，不是作用力。只有水力势H或水压力P的梯度才是向量，才是作用力。
　　若v较小，则式（1）为

图1 近于圆形的渗流断面

　　式（8）即为隧道衬砌外缘剩余水头的计算公式， 。按不同的K₁/K₂值计算β值，列于表1。

外水荷载折减系数 表1　　

图2 外水荷载作用下荷载-结构模式简图

　　当衬砌与围岩完全密贴时，外水荷载是以孔隙压力作用在衬砌上，当衬砌与围岩不完全密贴（即部分脱离）时，外水荷载除孔隙压力外，还有脱离部分水压力对衬砌的作用，因此，引入作用面积系数α，即外水荷载Pi可由式（11）求得：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Pi=αβγHi (11)
　　式中：P_i---第i处的外水压力；
　　　　　α---作用面积系数，
　　　　　n---孔隙率；
　　　　　H_i---第i处的水柱高；
　　其它符号同前。
　　由于液体的各向同性，P_i的作用方向为衬砌外缘的法线方向。若令P_y=∑P_iy，则P_y为结构所受的浮力。我们可以把外水荷载P_i理解为渗流体积力和浮力对衬砌结构作用的综合反映，围岩对承载能力的贡献则是通过结构的变位所产生的弹性抗力来体现。
　　4.2 理论解析方法
　　II.Y.iioHUMaTKUH于1972年提出了渗透力作用下圆形断面隧道应力的计算公式（图3）。
　　在渗流场力作用下围岩与衬砌接触面法向应力为：
　　σ_n=-γ[H_A-H_β(1+A₂)]/A₁ (12)
　　半径为r处衬砌切向应力为：

　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　图4 排水对衬砌应力的影响　　　　　　图5 初砌外缘水头分布

　　在设计中应尽可能发挥围岩的承载能力，保证衬砌与围岩的联合作用来减小衬砌的负担。联合作用的保证是通过两者接触面传递力来实现的。如果接触面为压应力，力的传递是自然保证的，当接触面为拉应力，则认为衬砌与围岩脱离，应力进行重分布，衬砌受力条件恶化。设置排水就可以减小或消除接触面上的拉应力，有利于衬砌与围岩的共同作用，这就是排水措施的作用。
　　6. 结语
　　（1）通过分析，外水荷载是渗流场力，由渗流体积力和浮力两部分组成。外水荷载的折减系数取决于衬砌与围岩渗透系数的比值。
　　（2）荷载-结构计算模式虽未真正反映渗流场，但结合目前衬砌结构设计的实际情况，该法仍为进行抗水压衬砌设计常用方法。
　　（3）根据衬砌与围岩有条件地联合承载的特点，设计时可根据情况采取必要的工程措施来保证衬砌与围岩的联合工作。

    1. 水工隧洞设计规范（SD134-84）. 北京：水利电力出版社，1984
    2. 潘家铮. 水工隧洞和调压室. 水工隧洞部分. 北京：水利电力出版社
    3. 水工隧洞喷锚衬砌设计. 吉林省水利勘测设计院，水工隧洞设计经验选编
    4.《某水电站地下建筑物的外水压力》，电力工业部东北勘测设计院勘测总队，水工隧洞设计经验选编
    5. 张有天.《论水工隧洞的外水荷载》，《地下工程经验交流会论文选集》
    6. 张有天、张武功、王镭. 再论隧洞水荷载的静力计算. 水利学报，1985.3

 

（陶伟明）