隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算中外水壓力取值方法

豐 飛 ，王 倩 ，高鳳艷

（1.國家開發(fā)銀行吉林省分行，吉林 長春 130000；2.吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130000；3.遼源市水務(wù)局，吉林 遼源 136200）

某工程總干線全長110 km，其中隧洞全長97 km，占線路全長的88%。因此，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為整個(gè)工程的關(guān)鍵所在，而隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算中荷載的取值成為重中之重。

總干線隧洞最深高達(dá)530 m，地下水位最高達(dá)440 m水頭壓力，故荷載中外水壓力的取值成為設(shè)計(jì)過程中十分棘手的問題。合理分析估算作用在隧洞襯砌外表面的外水壓力對工程影響很大，是深埋隧洞工程地質(zhì)勘察的重要任務(wù)之一。

1 外水壓力的取值方法

目前國內(nèi)對外水壓力取值的分析方式，主要采用兩種方法：一種是把外水壓力當(dāng)作面力；另一種是外水壓力當(dāng)作體積力。前一種是隧洞規(guī)范中推薦的方法，也是常規(guī)設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的方法，這種方法概念簡單，便于用結(jié)構(gòu)力學(xué)法或彈性力學(xué)法進(jìn)行分析計(jì)算。后一種方法是采用滲流場理論，較符合外水壓力作用的實(shí)際情況，但是洞周的巖石節(jié)理以及裂隙情況錯綜復(fù)雜，很難準(zhǔn)確模擬實(shí)際情況，因此帶來得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力情況之間的差別，很難去把握。

通常，在設(shè)計(jì)工作中把外水壓力當(dāng)作面力處理，一般情況下，地下水位線可根據(jù)工程水文地質(zhì)條件并結(jié)合水工隧洞布置分析確定，關(guān)于外水壓力的取值，有如下幾種方法：

1.1 按照規(guī)范選取

根據(jù)SL279-2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，作用在混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)上的外水壓力，可以按照下式估算：

式中：Pe——作用在襯砌結(jié)構(gòu)外表面的地下水壓力，kN/m2；βe——外水壓力折減系數(shù)，可按表1確定；γw——水的重度，kN/m3，一般采用9.81 kN/m3；He——地下水位線之隧洞中心的作用水頭，m，內(nèi)水外滲時(shí)取內(nèi)水壓力。外水壓力折減系數(shù)見表1。

表1 外水壓力折減系數(shù)表

1.2 推薦的的隧道外水壓力估算方法

對無壓隧道或有壓隧道檢修工況，作用于襯砌的外水壓力建議值按下式估算：

式中：β1——初始滲流場（隧道開挖前）隧道軸線處外水壓力修正系數(shù)；β2——考慮襯砌與圍巖滲透系數(shù)相對值對外水壓力的修正系數(shù)；β3——考慮襯砌與圍巖滲透系數(shù)相對值對外水壓力的修正系數(shù)。

1.3 水荷載量值的計(jì)算

作用在襯砌上的外水壓力，主要取決于巖體的滲透系數(shù)K1與襯砌的滲透系數(shù)K2的比值。

式中：HB——襯砌外緣外水壓力水頭，m；HA——外水全水頭，m；r1——地下水面至洞中心距離，m；r2——襯砌外半徑，m；r3——隧洞內(nèi)半徑，m；K1——巖體的滲透系數(shù)；K2——襯砌的滲透系數(shù)。

1.4 某工程選用計(jì)算方法

由以上分析可以看出，規(guī)范折減系數(shù)范圍比較大，在外水總水頭較高的情況下，選用較小值和較大值對外水荷載影響很大。

《水利水電工程地下建筑物設(shè)計(jì)手冊》中公式計(jì)算確定水荷載量值的方法，實(shí)際和《巖石水力學(xué)與工程》推薦的隧道外水壓力估算方法中β2中的公式是等效的。

某工程采用《巖石水力學(xué)與工程》建議的隧道外水壓力估算方法。

2 某工程外水壓力取值

1）滲透系數(shù)K與透水率q之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。由于公式中采用滲透系數(shù)K，而地勘提供的是巖層的透水率q，嚴(yán)格的講，滲透系數(shù)K與透水率q間并無固定關(guān)系。但有時(shí)為考慮問題或設(shè)計(jì)計(jì)算方便起見，希望能找到它們之間的近似關(guān)系。通過實(shí)踐，大致有以下幾種認(rèn)識：

①國外資料認(rèn)為：1 L/（min·m·m）=1.3×10-3cm/s。

②國外有些學(xué)者和單位給出了滲透系數(shù)K與單位吸水量值的相關(guān)關(guān)系圖，見圖1。可以看出：當(dāng)K=10-7m/s（即 10-5cm/s）時(shí)，單位吸水量值大約為0.01～0.03 L/（min·m·m）；當(dāng)K=10-5m/s（即10-3cm/s）時(shí)，各曲線的單位吸水量值均大于0.3 L/（min·m·m）。

圖1 滲透系數(shù)K與單位吸水量的關(guān)系曲線

③DL/T5200-2004《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》10.1.7條文說明：如需進(jìn)行透水率q與滲透系數(shù)K之間的換算，可參考下列關(guān)系式：

地層透水率 q 為 0.01 L/（min·m·m）時(shí)，約相當(dāng)于滲透系數(shù)K為1.3×10-5cm/s。

若要求 K=i×10-6cm/s，則可取 q＜0.01 L/（min·m·m）。

若要求 K=i×10-5cm/s，則可取 q=0.01～0.05 L/（min·m·m）。

若要求 K=i×10-4cm/s，則可取 q=0.05～0.2 L/（min·m·m）。

2）采用鉆孔數(shù)據(jù)q值換算成K，按照公式進(jìn)行計(jì)算襯砌外緣外水壓力值,不滿足設(shè)計(jì)要求處進(jìn)行灌漿處理。

3 結(jié)語

在隧洞工程不同勘察設(shè)計(jì)階段，應(yīng)運(yùn)用不同的外水壓力確定方法。該階段按照以上計(jì)算方法確定外水壓力，可以認(rèn)為是初步的判定；在施工階段，根據(jù)地下水活動狀態(tài)確定外水壓力折減系數(shù)，可以認(rèn)為是復(fù)判，具有驗(yàn)證、修正和完善的意義。

［1］張有天.巖石水力學(xué)與工程［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［2］張有天.水工隧洞及壓力管道外水壓力修正系數(shù)［J］.水力發(fā)電，1996（12）.

［3］湛正剛，張晉秋.水工隧洞外水壓力設(shè)計(jì)分析探討［J］.貴州水力發(fā)電，2000（12）.

［4］宋岳，賈國臣，騰杰.隧洞外水壓力折減系數(shù)工程地質(zhì)研究［J］.水利水電工程設(shè)計(jì)，2000（12）.