富水区深埋无压长隧洞排水措施及衬砌结构内力分析研究

衬砌结构内力分析研究苏丹，李继伟，马俊（黄河勘测规划设计有限公司#河南郑州450003）摘要：穿越山岭的深埋隧洞，常遇到丰富的地下水$外水压力对隧洞修建、施工的可行及运行稳定性都有重大影 响$解决该问题的重点是通过合理的工程措施降低外水压力$文章提出了“堵排结合”的治水思路，通过采用防 排水板和排水孔结合的防排水系统，达到降低外水压力对衬砌结构不利影响的作用，确保围岩和衬砌支护结构的 稳定、安全$关键词：富水区；深埋隧洞；外水压力；排水措施；衬砌结构中图分类号：TV672

文献标识码：B 文章编号：1672-2469 （2019） 09-0131-041国内外隧洞地下工程发展现状日本青函隧道是世界上最长的一条隧道）它

用；②提高基岩的承载强度、抗变形能力和改善传 递应力的条件；③改善坝基渗流条件和减少渗漏 量。但灌浆无法有效降低作用于衬砌上的外水

跨越津轻海峡，连接北海道和本州的铁路）最 大水深140m,最小覆盖层厚100m。施工时，要 用浇灌机在隧道壁上以80kg/m2重的压力注入 水泥、苛性钾和硅石混合组成的砂浆，构成海 底深处的隧道撑墙，以堵塞海床裂缝和断层可

压力。3黄三段富水区防排水方案比选及外水压 力评估3.1围岩富水性及涌水问题评价黄三段总长16.52km，位于南秦岭中段、汉江 以北的中低山区，局部为中山区。黄三段沿线地形

能造成的危害，借以封固海底隧道，以免海水

渗透侵入。英法隧道，由三条长51km的平行隧洞组成， 其中海底段的隧洞长度为3 =38km，是世界第二长

起伏较大，总体呈中部高、两端低的形态，隧洞沿

线中等富水区有2段，主要分布在区域性断裂带， 总长度1150m，占隧洞全长的7.0%。隧洞施工中， 洞壁以线状流水、滴水为主，局部可能产生较大集

的海底隧道及海底段世界最长的铁路隧道。它故意 设计为渗水模式以防水压：若不渗漏，则无法承受

隧道周围岩石中的水压。我国引水输水的隧道工程规模也相当大。以引

中涌水。隧洞沿线弱富水区有4段，主要分布裂隙

相对密集区，总长度2690m，占隧洞全长的 16.3%。隧洞施工中，洞壁以线状流水、滴水为

汉济渭秦岭隧洞项目为例，输水隧洞总长98. 3km，

穿越秦岭送至关中地区，地下埋深最深达2000mo公路隧道、海底隧道还是穿越山岭的跨流域调 水隧洞，都是复杂的工程，而外水压力评估及防排 水措施更是重中之重。主，局部可能产生集中涌水。中等富水区和弱富水区是施工排水及外水压力 计算时需要考虑的重点。3.2排水方案确定为保证有效降低作用于衬砌上的外水压力，对

2削减富水区外水压力的工程措施⑴近年来在实际工程中采用灌浆封堵和施打排水 孔排水的工程措施。位于中等富水区#、$、V类围岩中隧洞以及弱富收稿日期：2019-06-14作者简介：苏丹（1983年一），女，高级工程师。灌浆有以下作用：①固结、黏合、防渗的作

• 131 -2019年第9期水利规划与设计表1外水压力折减系数172项重大水利工程专题围岩

\"1\"/'1L类别#类$类/( m/s)10-1010-1010-10/( m/s)3 x 10「73 x 10 J3 x 10 J/( m/s)3 x 10 _78 x 10 _71. 4 x 10 -5/m3. 383. 383. 38/m/m/m/(kN/m2 )/(kN/m2 )3. 783. 833. 887. 887. 887. 88443500500434131730. 0070. 0150. 02249004900V类109水区V类围岩中隧洞对防排水板与排水孔相结合的 排水方案和毛细透排水带排水方案进行比选，作用

型式如图1所示）于衬砌上的外水压力根据渗流计算结果确定）

3.2.1 毛细透排水带方案防淤堵效果好$具有的毛细力及虹吸力特性能

增进排水功效$接缝较少，施工工艺相对简便，由

于采取间隔铺设，无法隔断内外水联系$投资相 对大）3.2.2防排水板方案存在于排水板上纵横相通的排水通道将大大降 低因局部堵塞造成的排水失效$可以保持混凝土浇

图1马蹄形断面筑过程中仓面的干燥，保证衬砌混凝土浇筑质量$

采用有限元计算软件SAP84进行计算，按荷载 结构法计算隧洞衬砌内力，该程序采用的是衬砌边

施工工艺相对复杂$投资相对小）经综合比较分析，采用新型HW防排水板作为

值问题的数值解法，即计算衬砌的内力和变形时， 不需事先对抗力做出假设，而由程序自动迭代 求岀）衬砌混凝土结构的防排水层）3.3推荐结论位于中等富水区、弱富水区#、$、V类围岩

秦岭隧洞黄三段穿越+ * #* $* V类围岩, 因为外水压力是衬砌结构承受的主要荷载，因此结

中以及贫水区$、V类围岩中隧洞采用防排水板与 排水孔相结合的排水方案）外水压力折减系数见

合排水设计方案选择典型断面）+类围岩段不计外 水压力，且围岩类别好，混凝土衬砌仅为减糙作

表1）4二次衬砌结构内力计算分析计算工况选取运行、检修和施工三种工况）

用，本次计算不计算+类围岩断面）#* $* V类 围岩段均采用防排水板与排水孔相结合的排水方 案，因此各选取1个典型断面，内力结构如图2 —4 及表2所示）黄三段隧洞横断面形式采用马蹄形断面，断面图2 皿类围岩内力图・132・172项重大水利工程专题水利规划与设计2019年第9期图3 %类围岩内力图图4 V类围岩内力图表2秦岭输水隧洞黄三段马蹄形断面结构计算衬砌

轴力内力/( kN ■ m)顶拱最大裂

厚度侧拱

弯矩底拱缝宽度/m运行期#类

轴力剪力轴力剪力-28. 52弯矩轴力222. 3剪力32. 19-19. 33弯矩/ mm182. 30. 4-24. 84- 19. 77-24. 9-13.14222. 3212. 41566-19. 4312. 36-28. 5-19.4312. 36-91. 0围岩检修期施工期18528. 3139. 22235. 4223. 3516. 5212.41481735. 7—1570447. 1220. 459. 5548. 6- 142. 895. 99-86. 3684.46235. 4223. 3516. 529. 58运行期$类

735. 7846. 91863185. 8180185. 8180413. 2-212. 50. 231围岩检修期施工期0.45693. 6846. 91840522. 3158. 1-99.95-375. 9413. 21863704. 2运行期V类

101. 683. 35832. 7- 832. 61395197. 7-271. 9509. 3196. 8184. 9400. 8围岩检修期施工期0. 5534155743. 96832. 6132. 232. 71184. 9-4770. 174258. 1-396. 91354注：轴力以压为正，弯矩以杆件下部受拉为正。5 结语富水区的深埋隧洞，不论是在施工过程中还是

结构尺寸优化、工程投资经济）黄三段深埋隧洞位于中等富水区、弱富水区 #、$、 V类围岩中的洞段采用防排水板与排水孔

在投入运行后，衬砌结构一直处于地下水包围之 相结合的排水方案，是一种合理有效的防排水措

中）合理的排水措施、有效的降低外水压力，结合 灌浆等措施，才能使隧洞衬砌结构断面设计合理、

施。该防排水系统，改变了以往隧洞多采用防水板 十排水盲沟的传统型式，使得隧洞的衬砌结构的尺

・133・2019年第9期水利规划与设计工程，2006 (S1)-172 项重大水利工程专题寸更优化和配筋量更经济、排水能力与衬砌结构的 抗水压能力更协调)为以后类似的工程提供了良好 的借鉴)& 7 ]潘亨永#何江达#汪泽斌•天生桥二级水电站引水隧洞高外水

压力形成机制及排水效果渗流场分析& J]-红水河，1998 (01).& 8 ]任旭华，李同春，陈祥荣•锦屏二级水电站深埋引水隧洞衬砌

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埋隧道外水压力计算的解析一一数值法》一文随笔/的答复

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& J].铁道工程学报# 2004 (04 )-[6 '阚二林，郭云英•隧道衬砌外水压力的研究进展& J]-西部探矿监督，2013 # 111 (01) : 46-49.(上接第99页)特性不能以单个土性指标来代表# 必须对土样的物理力学指标的试验数据进行统计分

土的击实试验含水率控制基值。若用大于合理功的击实功击实时，难以达到较

析后，根据工程特点和地质条件确定其代表性&11], 所以规范明确规定了每一主要土层土样试验或原位 测试均不能少于一定组(件)数)好的击实效果。细粒土现场碾压试验是把合理功以压实器具的 技术参数和施工压实参数的形式进行合理分化，进

综上所述，勘测期间取土样9组，室内轻型击 实试验测得最大干密度为范围值，即：1.65 ~ 1.74//cm3，粘土心墙土方填筑碾压试验所采用的

行施工碾压，可获得最好的压实密度。重型碾压器具可适当调配碾压遍数和压实层厚

度，以提高生产效率。重型碾压器具的选择原则以 不造成器具沉陷及土体破坏为原则。土的压实度超百现象的存在是合理的， 土的指

最大干密度为1.71 Rem3，压实度按不小于99%控 制进行碾压，如此，从纯数值理论上看，若粘土心

墙土方填筑碾压合格，则必然存在大于1.71而小 于 1.74 数值的 99% 比值，即 1.72g/cm3、 1.73// cm3，若碾压压实度为100%时，则存在1.74/

cm3标离散性是碾压压实度超百的根本原因。参考文献& 1 ]汪德云.粉细砂筑堤填筑标准确定的工程实践&J].水利规划与

。由此可知，若粘土心墙土方填筑碾压合格，

从土的指标离散性来讲，土的压实度超百现象存在

设计，2017 (10) : 121-124.[2]河南省水利第二工程局•河南省出山店水库工程施工1标主坝

是合理的。总之， 由于土的指标离散性， 工程中所采用的

粘土心墙土方填筑碾压试验成果报告& R] - 2016.& 3 ]程鲲鹏• 土石坝的施工技术与质量控制& J]-水利技术监督，

土的最大干密度为代表值，其一般在检测数值范围 之内，以该代表值99%为控制指标，必然存在大 于代表值控制指标的检测数值， 故土的压实度超百

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6结语压实细粒土存在浸水过程时，其土的击实试验

应以细粒土的液塑限值估算最优含水率，作为细粒

水利规划与设计，2018 (03 ) : 104-106.(下转第151页)• 134 -