不同防排水模式对山岭隧道衬砌水压力影响关系研究

摘要

隧道工程的地下水问题伴随着隧道工程而产生，并始终伴随着隧道工程设计、施工和运营的整个过程。在各种复杂或不良的地质条件中，地下水是影响隧道工程施工、运营和导致预算超概的主要原因之一。如何选择防排水模式，并且合理地对不同防排水模式进行组合使用，以期持久有效且经济合理地处治好地下水，是横亘在隧道工程面前亟待解决的重要问题。隧道工程建设适应不同地质构造及地形条件的要求不断发生变化，隧道设计理念的不断更新，隧道所采用的防排水模式不同，都将直接影响到隧道工程的设计、施工和运营等过程。
　　本文系统研究了隧道采用不同防排水模式时，水压力在衬砌背后不同位置处的分布规律和变化过程。主要内容如下：
　　(1)采用解析方法，分析围岩和衬砌交界面上的水压力集度，推导出围岩和衬砌的渗流力公式以及隧道衬砌施作前后的涌水量公式，孔隙水压力公式和水压力折减系数公式。运用推导出的解析解，分析了水头高度、衬砌厚度、衬砌相对渗透性、围岩注浆和排水率等因素对衬砌水压力折减系数的影响。结果表明，注浆的主要作用在于控制隧道排水量，而衬砌的渗透性是决定水压力大小的主要因素。
　　(2)通过对修建在富水区隧道的三维模型进行试验，着重研究了边界透水情况下，变换水头高度时，隧道采用全排水模式和全封堵模式，衬砌背后水压力大小及分布规律的变化过程。结果表明，裂隙系统的非均质性和地下水流的非稳定性对衬砌水压力的影响较大。
　　(3)应用有限差分软件，以隧道衬砌水压力模型试验为依托进行数值模拟，对富水地区修建的隧道在初始渗流场，全排水模式，径向注浆支护，施作衬砌和全封堵模式下的衬砌不同位置处水压力大小及变化规律进行重点分析。得出了隧道控制排水量与水压力作用系数之间的关系。
　　(4)运用数值模拟方法，对富水地区修建的山岭隧道常用的防排水模式，如围岩径向注浆堵水，防水层的全包与半包模式，混凝土衬砌结构自防水，衬砌背后设置排水系统等模式进行模拟。通过改变不同防排水模式的相关参数，对不同防排水模式引起衬砌不同位置处水压力分布规律及变化过程进行重点分析。得出了不同防排水模式与衬砌背后水压力之间的关系。