淺析富水區隧道襯砌結構水壓力計算

程時運

摘 要：在我國經濟飛速發展時期，隧道工程基礎建設也飛速發展，主要集中在西南地區，這些地區海拔較高、試問地質條件復雜，經常需要修建深埋隧道，高水壓力是工程結構的主要隱患之一，越來越受到廣大學者的關注。本文主要介紹襯砌結構水壓力的計算方法及滲流場的分析。

關鍵詞：水壓力；滲透理論；折減系數；隧道襯砌

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.075

1 襯砌水壓力研究現狀

隨著人們的環保意識也越來越強，“以排為主”甚至“完全排出”的方式現在也不被提倡了。在這種情況下，必須改變“以排為主，排堵結合”的方式，采取“以堵為主，排堵結合”的方案。

在富水區修建公路隧道時，隧道的埋置深度以及水頭高度決定了隧道襯砌結構的水壓力大小，隧道埋深越大，水頭高度越高，襯砌結構承受的水壓力荷載越大，如何安全、可靠地進行隧道設計、施工又不影響生態環境的關鍵在于確定襯砌結構上的水壓力大小。

由于交通等部門還沒有統一的規范參照，所以大多還是參照水工隧道設計規范。國內最早提出襯砌結構水壓力問題的主要是水工隧道的專家學者，起初張友天等人提出水壓力是水工荷載的主要荷載，對于襯砌的型狀和尺寸起著決定性作用.I.W.Farmer等對支護的靜水壓力進行研究，提出注漿能有效控制地下水的排放，從而在一定程度上能減小襯砌上水壓力的作用；王建宇等提出了“全堵型”和“注漿+排導”兩種防水方式，還針對水壓力的計算提出了關鍵性的建議。隨后，鐵道部提出了“限量排放”的新方案來處治地下水。由此可見，隧道工程水壓力問題越來越為大家所重視了。

2 襯砌水壓力計算方法

目前，隧道襯砌水壓力的計算方法大體分為4種：

（1）淺埋隧道中，對地下水采取“以排為主”的方案，隧道的設計規范不考慮水壓力在襯砌上的作用；

（2）在富水區深埋隧道中，水頭較高，襯砌結構水壓力不可以不考慮，但是在這方面可供參考的研究資料較少，沒有統一的規范可以遵循。所以，富水區深埋隧道大多借鑒水工隧道計算水壓力的方法，即水壓力折減系數法。計算公式如下：

P=β1β2β3P0

式中， P—作用在襯砌上的外水壓力；β1—初始滲流場水壓力修正系數；β2—襯砌與圍巖滲透相對關系修正系數；β3—防排水措施對襯砌外水壓力影響修正系數；P0—計算點處由地下水位產生的靜水壓力。

（3）公路隧道工程采取的研究方法有很多的差別，但是大體上是運用折減系數法，逐漸按均質圍巖嘉定，按照Darcy定律，對隧道圍巖滲流場進行分析，確定襯砌結構的水壓力。

Darcy定律公式如下：

式中：Q—滲透流量；ω—過水斷面；h—水頭損失；L—滲透途徑；I—水力梯度；K—滲透系數。

（4）考慮滲流場與圍巖應力場耦合作用的問題，從理論上講，考慮耦合作用是比較精確和合理的方法，但是這方面的研究需要較多的模型和現場試驗支撐。

3 滲流理論分析

假定巖土體在水壓力特性下為各向同性、均勻的連續性介質，用分布在圍巖和襯砌結構上的場力來表示地下水對圍巖和襯砌的作用力，即為滲流力。滲流的基本是法國工程師達西由實驗總結而得的Darcy定律，即：

v=Q/A=k·j

式中：v為斷面平均流速，u為點流速，Q為滲透流量，A為斷面面積，k為土體滲透系數，j為水力坡降。

由Darcy定律可得，巖體中水流的流速為

v=-k·j=-k·gradh

式中：v為滲透水流流速，k為滲透系數，j為水力坡降，h為水力勢。

滿足Darcy定律的各向同性均質巖體中滲流的基本微分方程是連續性方程，即滲流場中水在某一單元體內的增減速率等于進出該單元體內的增減速率等于進出該單元體流量速率之差，也是質量守恒定律在流體力學中的具體表述形式。這組方程是封閉的。即：