有关隧洞外水折减资料

文章编号：1672-3031(2003) 03-0200-07

山西引黄工程南干线7#隧洞衬砌外水压力研究

李雪春，陈重华，陈平，徐昕

(中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038)

摘要：本文采用综合修正系数取代规范建议的单一折减系数，用渗流场分析方法确定作用在引黄入晋南干线7隧洞衬砌上的外水压力。由己知钻孔水位及泉水位反演出各地层的渗透张量及地表入渗强度求得初始渗流场。衬砌外水压力分析中考虑了衬砌混凝土的渗透性以及排水、灌浆等工程措施的影响。根据分析结果，提出了系统排水孔布置的建议，得出了在相应的排水减压措施下衬砌厚度由原设计35cm减至25cm，这一建议已被采用，取得了巨大经济效益。 关键词：隧洞；外水压力；有限元分析；渗流场；系统排水；综合修正系数 中图分类号：TV554 文献标识码：A

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万家寨引黄工程南干线7隧洞全长43km，其中石碣上至头马营段长33km，衬砌后洞径4.2m，位于宁静向斜碎屑岩区，工程水文地质条件复杂，经地质勘察，估计最高地下水位高出洞顶325m，外水压力成为隧洞衬砌的主要荷载。该洞段计划用双护盾隧洞掘进机开挖，采用预制管片式衬砌。这一洞段的设计存在一些问题需要研究：（1）衬砌厚度。隧洞在宁静向斜地层西翼，地下水位高，外水压力大，奥地利的D2公司在标书设计中建议衬砌厚度为35cm。由于隧洞长达43km，

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如果采取适当措施，将7洞衬砌管片厚度减薄，将可节约大量高标号混凝土以及

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石方开挖、灌浆等费用，经济效益巨大，需加以论证。(2）隧洞施工排水量。7隧洞采用TBM由两洞口对打。高地下水位洞段自出口逆坡施工，可自流排水，但也要设置满足排水量要求的排水沟，防止水流漫溢、影响施工。因而需对最大排水量进行估计。为解决以上问题，选取洞沿线地下水位较高，即从上余庄至头马营间的一段，对地下水运动进行了分析研究，内容包括：(1）初始渗流场的分析。根据钻孔水位及泉水分布，通过反分析确定该洞段的初始地下水渗流场，求得洞轴线处初始地下水压力水头及各地层渗流参数。（2）隧洞衬砌外水压力研究。研究隧洞施工后作用在衬砌上的外水压力，若超过衬砌允许外水压力，要研究各种可行的排水降压工程措施以降低外水压力，并对可行的工程措施和衬砌厚度作出建议。（3）施工过程隧洞最大排水量估算。

本文通过对初始渗流场及隧洞衬砌外水压力的两项研究，提出了系统排水孔布置的建议，并论证了在采用所建议的排水降压工程措施后，衬砌厚度可减至25cm，这一建议被采用并得到D2公司认可。

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1 隧洞衬砌外水压力分析方法

1

我国水工隧洞设计规范(SD134-84)建议隧洞衬砌计算外水压力按地下水位至隧洞轴线的静水压乘以折减系数β取值。规范建议的单一外水压力折减系数法有以下缺点：(1)β值变幅很大，使设计人员很难作出选择；(2)β值是根据通常的混凝土衬砌并有裂缝条件下制定的。对于有些工程，要求混凝土衬砌透水性极小，建议值就不再适用；(3)在实际情况下，由于地形、地质条件不同，初始渗流场某一点的水压力并不等于该处地下水位的静水压力。

根据作者所在课题组近20年对水工隧洞的研究，并通过许多工程实践，逐渐

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形成用综合修正系数取代单一折减系数估算作用在衬砌上的外水压力的方法。本方法认为混凝土衬砌外水压力Pc等于地下水位的静水压力Ps乘以综合修正系数β

Pcc=βPs， β＝β1β2β3

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式中：β1为初始渗流场修正系数；β2为混凝土衬砌透水性修正系数；β3为考虑工程措施的修正系数。

隧洞修建前，山体中地下水因流动而形成初始渗流场，任一点的水压力一般不等于该点由垂线上地下水位产生的静水压力，因此存在修正系数β1。在山体内β1一般小于1.0，但在山谷下部及承压水地层中β1大于1.0。隧洞开挖过程中，地下水位下降，衬砌完成后，地下水位回升。根据衬砌与围岩透水的相对关系，存在修正系数β2。当衬砌完全不透水时，β2＝1.0，否则β2小于1.0。当对围岩进行固结灌浆或采用旨在减压的排水措施后，衬砌的外水压力将再予折减，因此，存在修正系数β3。

采用综合修正系数取代规范建议的单一折减系数，此前曾用于多项工程的分析研究，一些地下水位很高的隧洞，例如天生桥二级引水洞衬砌的外水压力计算值显著减小而能为衬砌所承受，实际运行情况也证明了这一结果。因此，对于地下水位较高的重要的隧洞工程，应参照综合修正系数法的思路用渗流场分析方法来确定衬砌的计算外水压力。

2 计算域初始渗流场分析

首先进行初始渗流场分析。由己知的钻孔水位及泉水水位反求各地层的渗透张量，求得的初始渗流场应能大体拟合上述己知水位。用反分析求出的各地层渗透系数再选定若干断面进行其邻域三维渗流场分析，分析中考虑衬砌混凝土渗透性以及各种工程措施（排水、灌浆)的影响。这样求得的作用在衬砌上的外水压力较为符合实际，可用作衬砌设计。

2.1 分析方法 计算域内己发现泉水出露18处并有24个钻孔的地下水位资料，这些已知水位是非约束性的已知条件（湖、河水位为约束性边界条件）。对计算域中地形高且风化层较厚的部位，假定其调蓄作用可在整个水文年内维持不同程

2

度的相对稳定的向深部岩层的入渗。

本项研究的目的就是根据己知泉水水位及钻孔地下水位进行各水文地质分区渗透参数反分析，求得与实际相近的初始渗流场。为了模拟水文地质条件和地下水活动的特点，根据地形条件和风化层厚薄，在地表给定相应入渗流量以反映经风化层调蓄后的有效入渗，以地质宏观概念为指导，反复调整各水文地质分区的渗透参数，使分析所得的初始渗流场能大体拟合各泉水点水位及钻孔观测水位。

在三维有限元分析中，根据计算域的地形地质条件，把向斜的水文地质构造概化为10层，并使用了2层单元模拟地表层风化带对地下水的调蓄作用。全域中的岩层和顶部风化层共分28个水文地质分区。三维有限元计算网格共有6786个单元，7683个节点。沿东西向5个典型剖面的位置依次在大地坐标x=295km、299km、302km、305km和307km。

2.2 初始渗流场的分析结果

2.2.1 分析原则 反分析待定参数有各分区地表平均入渗强度及各种岩层的渗透系数。将风化层定为各向同性渗透材料，只有一个渗透系数。其他向斜构造中的10种材料均为层状岩体，为各向异性渗透材料，可用渗透张量表示。经反复试算，最后求得初始渗流场及相应的待定参数。

2.2.2 分析结果 将计算域内地表单元根据地表位置高低及风化层厚薄，按入渗率大小分为若干区。地形较高且风化层较厚的能维持较大的入渗，风化层薄的入渗量较小，临近沟谷斜坡无入渗。经试算，求出入渗单元数及相应的入渗强度，

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从而得出地表平均入渗强度为0.164×10cm／s，折合全年的入渗量为51.72mm。己知全年降雨量为468.2mm，因而对地下水位有效补给率为11％。经反分析，还求得各岩层渗透参数。

计算地下水位和泉水点、钻孔实测地下水位大体相近，说明反求的参数及初始渗流场基本符合实际情况，可作为进一步分析用。

从计算结果可以看出，在洞顶上方地下水位较高的各段，即水位接近或超过1800m处，隧洞轴线附近实际的水压力均稍低于洞顶上方的地下水位的静水压。与此相反，计算域南端向斜轴部附近，深层岩体中有承压水，这一带钻孔常发现有水从孔口流出，说明计算结果反映宁静向斜地下水运动实际情况。初始渗流场内一点的水压力不等于该点垂线上地下水位的静水压，对此可以用初始修正系数加

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以定义。它对高地下水的隧洞设计具有重要的意义。表1为计算域内7洞外水压力的初始修正系数。本区段内无深切河谷，洞轴线均低于河谷，地下水靠河道排泄或沿风化层排泄，因而初始修正系数均大于0.85，在307km处接近于1。另外，在308～309km处洞轴线还有不大的承压水，β1略大于1。

表1 隧洞沿线外水压力初始修正系数统计

3

剖面位置 隧洞底高程 地下水位 x/m 307000 305000 302000 299000 295000

Zc/m 1494.8 1493.1 1490.3 1487.6 1484.1

Zw/m 1751.0 1830.7 1819.2 1740.0 1680.7

隧洞位置处 初始修正系

静水压力/m 初始水压力

/m

256.2 337.6 328.9 252.4 196.6

255 306 281 237 179

数 β1=Po/Ps 0.995 0.906 0.854 0.939 0.910

3 无排水工况隧洞衬砌外水压力分析

在表1的5个典型剖面中，以隧洞的中心位置为基准，各选取一个三维的邻域进行衬砌外水压力分析。邻域的上部以地面为边界，下部边界离隧洞中心500m，东西两侧从中心各延伸500m，沿洞线方向取12片预制衬砌的宽度，即

1.4m×12=16.8m。在沿洞线方向上使用12片预制衬砌的宽度的目的在于研究各种排水孔的布置形式对外水压力的影响。衬砌厚度0.25m，衬砌外用厚度分别为0.5、1.0和1.5m的3层围岩单元模拟固结灌浆圈和松动圈等。

局部计算域的边界条件用如下方法确定。地表面、东西两侧及底部的边界水头值，通过对整体三维渗流场进行插值求出；考虑到向斜层状构造中渗流及长隧洞的特点，南北两侧可用流面边界条件。以上假定实际上是把三维问题简化成等厚度的计算域，近似于平面问题。同时，因为边界离隧洞很远，可假定隧洞的排水不引起边界处地下水的变化。实际上，排水可能使地下水的自由水面降低，上述假定使估算的隧洞外水压力偏大，从设计上考虑，这是偏于安全的。

岩石的渗透系数按上节三维渗流反分析结果给定。设混凝土预制衬砌接缝止

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水良好，按不透水缝考虑。施工良好的高标号预制混凝土的渗透系数可达1×10cm／s。大面积混凝土衬砌总会有各种缺陷，为使设计偏于安全，不考虑缺陷对混凝土渗透系数的影响。

按上述假定求得无任何排水减压措施时各典型剖面衬砌外水压力见表2。它与表1中洞线处初始水压力之比即为衬砌透水性修正系数β2，由于衬砌渗透系数取值甚小，故β2接近于1。

表2 典型剖面隧洞衬砌的最大外水压力(单位：m)

剖面位置/km β

max

x=295 178 0.994

x=299 236 0.996

x=302 281 1.000

x=305 305 0.997

x=307 248 0.937

γ

β

2

4

由于预制管片与管片之间难以达到完全密贴式接触，按规范，若局部承压面积为设计衬砌面积的1／3，局部承压强度提高系数为1.732，因此应将浇筑式衬砌允许外水压力乘以折减系数0.577。当预制衬砌混凝土为C50时，得出允许外压水头为110m。由此可见，各典型剖面衬砌最大外水压力均超过衬砌允许外水压力水头，其中最高外水压力出现于x=305km剖面，其压力水头值达305m，因此必须采取排水降压措施。

4 系统排水孔减压效果分析

4.1 计算方案及分析结果 上节分析表明当衬砌厚度为25cm、混凝土为C50时，预制管片式衬砌允许外水压力水头为110m，应采取可靠的工程措施，将衬砌最大外水压力水头降到110m以内。

计算是在上节中提到的5个典型剖面处的局部网格中进行的。计算中每个排水孔孔径按40mm考虑，孔深3m。当布置1个排水孔时，该孔设置于洞顶部，且垂直向上。当布置4个排水孔时，4孔的位置为上下左右。对于每个典型剖面的局部网格，试算的5种工况分别为：①无排水；②无间隔每片设4个排水孔；③无间隔每片1个顶部排水孔；④在第3和第9片上设4个排水孔；⑤在第2、5、8和11片上各设4个排水孔。此外，还对无间隔每片顶部设置2个排水孔、斜向布置4个排水孔以及排水孔深入岩石不同深度的工况进行了对比分析。排水孔的模拟使用了排水单元，排水单元是一种具有排水孔子结构的单元。5个典型剖面各种排水布置工况洞外壁的最大压力水头值列于表3。表中给出的是预制管片接缝处的外水压力值，由于排水孔位于管片中间，孔口处降压作用更为显著。

表3 各典型剖面各种排水工况下衬砌最大外水压力(单位：m)

剖面位置/km

工况

x=295 x=299 x=302 x=305 x=307

178

236 281 305 248

11

13 16 18 25

84

108 129 140 164

45

59 70 76 96

5

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