盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)時(shí)水壓力計(jì)算方法探討

馮興廣

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引言

修建水下隧道己成為跨越江河湖海等天然水道屏障和實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的重要舉措。水下隧道施工常用方法有鉆爆法、盾構(gòu)法、TBM 法和沉管法等，其中許多學(xué)者將采用盾構(gòu)工法施工的水下隧道統(tǒng)稱為水下盾構(gòu)隧道。在水下盾構(gòu)隧道快速發(fā)展的同時(shí)，既有水下盾構(gòu)隧道己暴露出了許多襯砌結(jié)構(gòu)問題，如管片錯(cuò)臺(tái)、拼裝接縫開裂，繼而產(chǎn)生局部滲漏水，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性降低，加劇地面建筑物的不均勻沉降、影響周圍水環(huán)境變化、嚴(yán)重者將造成大量涌水和隧道被淹事故發(fā)生。上述現(xiàn)象凸現(xiàn)出了水下盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)變形及裂化等病害隱患，在當(dāng)時(shí)的理論水平和技術(shù)條件下制定的現(xiàn)行規(guī)范，與現(xiàn)有水下盾構(gòu)隧道工程使用的新技術(shù)和產(chǎn)生的新問題之間的矛盾，是導(dǎo)致此類隱患問題的主要原因。如造成了水下盾構(gòu)隧道襯砌外荷載的設(shè)計(jì)值計(jì)算不合理等系列問題。因此，如何在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理論和方法基礎(chǔ)上，將水下盾構(gòu)隧道的相關(guān)影響因素考慮到襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如盾構(gòu)施工擾動(dòng)對(duì)襯砌外水壓力的影響或地下水滲流對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)土壓力的影響等，成為當(dāng)前水下盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)中面臨的主要難題和熱點(diǎn)問題。

1 水壓力的主要計(jì)算方法

隨著地下滲水致災(zāi)事故的頻繁發(fā)生，各國規(guī)范逐漸意識(shí)到隧道襯砌外水壓力的重要性，如日本土木學(xué)會(huì)《土木工程手冊(cè)一隧道手冊(cè)》（修訂版）、美國《隧道工程手冊(cè)》以及前蘇聯(lián)的公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范等均將襯砌外水壓力作為重要荷載進(jìn)行考慮。此外，我國《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB1003-2005）、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004）、《地鐵隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2003）以及《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL279-2002）均明確了襯砌外水壓力的重要性，其中《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》和《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)襯砌外水壓取值給出了較為明確的方法。規(guī)范中規(guī)定的外水壓取值方法通常為經(jīng)驗(yàn)取值，以折減系數(shù)法應(yīng)用最為廣泛；此外，經(jīng)過研究學(xué)者的不懈努力，襯砌外水壓取值在解析解法和數(shù)值模擬方法兩方面也取得了較多的研究成果。

2 折減系數(shù)法

水工隧道設(shè)計(jì)中首先提出了隧道襯砌外水荷載計(jì)算的折減系數(shù)法：一般以地下水面到結(jié)構(gòu)物處的水頭h 為基礎(chǔ)，再乘以一個(gè)折減系數(shù)來確定外水壓力，折減系數(shù)是個(gè)綜合指標(biāo)，主要靠經(jīng)驗(yàn)來確定其取值[1]。德國、日本常用全水頭計(jì)算襯砌水荷載，即折減系數(shù)取值為1。巴西、加拿大采用可能最大水頭值計(jì)算靜水壓力，以此作為設(shè)計(jì)水壓力。與水工隧道不同，交通運(yùn)輸隧道不存在內(nèi)水壓的影響，在采用折減系數(shù)法設(shè)計(jì)時(shí)常常引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)入一個(gè)誤區(qū)，即襯砌內(nèi)表面干燥，襯砌外水壓取較小值。然而將襯砌按照不排水條件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，襯砌外水壓最終為全部靜水壓，這與圍巖滲透性以及注漿圈影響等無關(guān)。隨著“以堵為主、限排為輔”襯砌設(shè)計(jì)理念主導(dǎo)地位的提升，襯砌按照排水條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，該類情況下襯砌外水壓折減系數(shù)的取值仍值得探討，我國研究人員己經(jīng)開展了相關(guān)方面研究，張成平、張頂立、王夢恕和項(xiàng)彥勇[2]等提出了隧道排水率的概念，并分析了隧道排水率與襯砌外水壓折減系數(shù)之間的關(guān)系。

此外，為了使得折減系數(shù)法推廣應(yīng)用，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，如董國賢闡述了水工隧道中積累的水荷載和水頭折減系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)折減法。張有天指出隧洞靜力計(jì)算中通常把水壓力作為邊界力處理，沒有考慮水荷載作用的時(shí)間因素，在某些情況下將導(dǎo)致較大的誤差，建議把水荷載作為場力來處理，考慮水荷載與隧洞開挖及襯砌相對(duì)時(shí)間關(guān)系進(jìn)行隧洞圍巖及襯砌的靜力計(jì)算，提出了隧洞設(shè)計(jì)三原則和隧洞外水壓修正系數(shù)方法。周樂凡采用室內(nèi)模型試驗(yàn)方法，通過改變圍巖注漿圈模擬介質(zhì)的滲透系數(shù)，測試分析了10 多組隧道襯砌外水壓力折減系數(shù)，探究了外水壓力折減系數(shù)與襯砌外圍注漿圈的綜合滲透系數(shù)之間的關(guān)系。何明磊通過軸對(duì)稱解析計(jì)算和有限元數(shù)值計(jì)算隧道在不同襯砌滲透系數(shù)、不同注漿圈厚度、不同襯砌厚度條件下，襯砌背后的水壓力、流量及襯砌內(nèi)力，分析影響水壓力的因素和水壓力對(duì)襯砌內(nèi)力的影響，計(jì)算結(jié)果顯示：襯砌不透水時(shí)，水壓力荷載系數(shù)不折減；在控制排水的條件下，調(diào)整襯砌滲透系數(shù)、注漿半徑和襯砌厚度可以改變水壓力、流量和襯砌內(nèi)力。

綜上，襯砌外水壓折減系數(shù)是一個(gè)受到多因素影響，經(jīng)驗(yàn)性取值為主，適用于水工隧洞的綜合參數(shù)，對(duì)于高水壓水下盾構(gòu)隧道而言，水壓力為襯砌主要荷載，襯砌外水壓折減系數(shù)取值更加值得深入探討。簡化計(jì)算方法最為常用，上述計(jì)算方法均沒有考慮地下水滲流的擾動(dòng)影響，尤其是在水下盾構(gòu)隧道復(fù)雜的賦存和施工環(huán)境下，地下水滲流的影響還不明確，如果繼續(xù)采用現(xiàn)有的經(jīng)典方法，勢必會(huì)造成設(shè)計(jì)結(jié)果有失偏頗，由此可知上述方法的適用性有待商榷。

3 解析解法

隧道襯砌外水壓解析解法具有概念清晰，計(jì)算簡便的優(yōu)點(diǎn)，通常基于Darcy 地下水力學(xué)理論，并對(duì)邊界條件做適當(dāng)?shù)募俣?，推?dǎo)得出水壓力分布，進(jìn)而得到襯砌外水壓的理論值。早在上世紀(jì)60 年代Harr 基于鏡像法推導(dǎo)得出了隧道圍巖內(nèi)孔壓分布計(jì)算公式，并在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，經(jīng)過驗(yàn)證表明Harr 解在求解高水壓隧道中水壓分布時(shí)具有較高的精度，為隧道襯砌外水壓求解和地下水滲流影響分析奠定了基礎(chǔ)。

此后，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)隧道滲流場解析法進(jìn)行了深入研究，主要有Shizhong Lei、Ko1ymbas 等關(guān)于隧道圍巖內(nèi)孔隙水壓力和涌水量解析計(jì)算公式，采用不同計(jì)算手段進(jìn)行了推導(dǎo)和深入分析。我國學(xué)者對(duì)不同條件下隧道滲流場解析法也進(jìn)行了研究和探討，吳金剛研究了高水壓透水條件下山嶺隧道圍巖內(nèi)滲流場的分布特征；項(xiàng)彥勇[3]分析了水體下隧道開挖，隧道內(nèi)表面為等水頭和等水壓兩種排水條件下圍巖孔壓的解析法。王建宇探討了復(fù)合式襯砌的水壓力荷載取值問題，認(rèn)為復(fù)合式襯砌也必須考慮水壓力荷載。王建秀等[4]首先用經(jīng)驗(yàn)解析法預(yù)測隧道的涌水量，將涌水量作為中間橋梁確定圍巖滲流場的分布，進(jìn)而計(jì)算隧道襯砌的外水壓力。鄭波[5]綜合采用了室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值與理論分析等多種方法分析了在高水頭富水區(qū)條件下襯砌外水壓力的分布特征與計(jì)算方法，對(duì)襯砌水壓力折減系數(shù)敏感度進(jìn)行了分析，探討了不同排導(dǎo)結(jié)構(gòu)的襯砌水壓力的分布規(guī)律，得出決定襯砌水壓力折減系數(shù)的主要因素是襯砌與圍巖的相對(duì)滲透性。杜朝偉推導(dǎo)得出水下隧道滲流場解析法。童磊和朱成偉等對(duì)有襯砌條件下隧道滲流場進(jìn)行了解析分析。

現(xiàn)有隧道滲流場解析法和襯砌外水壓解析法在估算襯砌外水壓方面具有很好的作用，根據(jù)現(xiàn)有的解析法可以推導(dǎo)得出襯砌外側(cè)水壓折減系數(shù)解析計(jì)算公式，便于工程的應(yīng)用。但是推導(dǎo)得出的水壓折減系數(shù)解析法偏重于二維滲流場求解條件，且多數(shù)是屬于穩(wěn)定滲流條件，無法考慮施工期因素的擾動(dòng)影響和復(fù)雜地層條件變化的影響，因此有必要采用其他手段對(duì)其進(jìn)行修正，進(jìn)而擴(kuò)大其工程適用性。

4 數(shù)值分析法

數(shù)值分析方法是國內(nèi)外研究人員進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)外水壓力計(jì)算和分析時(shí)的常用方法之一。通過試驗(yàn)研究得出襯砌在排水后仍然要承受相當(dāng)于靜力水頭20%左右的水壓力。張志強(qiáng)采用數(shù)值模擬的方法對(duì)高水位條件下的隧道襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)體系的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析。張明德采用物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬分析和理論推導(dǎo)相結(jié)合的方法，對(duì)宜萬鐵路巖溶隧道的滲流場分布規(guī)律、流固耦合影響下的襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征以及注漿對(duì)滲流場分布規(guī)律的影響等一系列問題進(jìn)行了深入的探討和分析。卓越以梁萬高速公路金竹林連拱隧道為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，提出了連拱隧道地下水滲流場的變化主要影響因素是隧道埋深、裂隙發(fā)育情況、圍巖松動(dòng)圈大小以及施工工序等。華福才采用FLAC3D 對(duì)分析了青島地鐵典型區(qū)間隧道開挖階段以及運(yùn)營期的滲流場，并研究了在不同注漿圈厚度以及注漿圈滲透系數(shù)下隧道注漿圈的涌水量和外水壓力。地下水滲流過程中，滲流場與應(yīng)力場的耦合效應(yīng)影響明顯[6]，在隧道襯砌水荷載計(jì)算方面，水荷載的取值必須要考慮滲流場與應(yīng)力場的耦合效應(yīng)，根據(jù)滲流場的歷史過程來確定；我國研究學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了多方面深入研究，陳衛(wèi)忠和李廷春、何川和許金華[7]、何翔、原華等對(duì)隧道圍巖內(nèi)滲流場與應(yīng)力場的耦合作用效應(yīng)進(jìn)行了深入研究。

5 進(jìn)一步研究建議

綜上所述，襯砌外水壓力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)注的重點(diǎn)對(duì)象，現(xiàn)行隧道設(shè)計(jì)規(guī)范方法屬于經(jīng)驗(yàn)方法，對(duì)襯砌外水壓力僅是粗略的估算，對(duì)于水下隧道而言，高水壓力己構(gòu)成襯砌外荷載的主要部分，因此需要更加準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)果；此外，水下盾構(gòu)隧道施工期受到盾構(gòu)工法、復(fù)合地層以及地下水滲流影響，隧道襯砌外水壓力的分布規(guī)律更為復(fù)雜，在考慮諸多因素影響情況下如何準(zhǔn)確研判隧道襯砌外水壓力大小和分布規(guī)律，應(yīng)該是當(dāng)前研究的重要內(nèi)容。

總的來說，國內(nèi)外的盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)在理論上己經(jīng)逐步成熟和完善，并形成了行之有效的規(guī)范方法。然而水下盾構(gòu)隧道施工期襯砌外水壓力的合理確定問題，一直是研究和設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)，為此，建議后續(xù)可以針對(duì)水下盾構(gòu)隧道施工期的復(fù)雜擾動(dòng)影響下的襯砌結(jié)構(gòu)外側(cè)水壓力計(jì)算方法展開研究，以期相關(guān)研究成果能為相似工況條件下的水下盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中襯砌外側(cè)水壓力的合理取值提供理論依據(jù)和借鑒。

6 結(jié)束語

本文采用綜合文獻(xiàn)分析方法對(duì)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)水壓力的計(jì)算方法進(jìn)行了探討，研究結(jié)果表明：

（1）折減系數(shù)法對(duì)于高水壓水下盾構(gòu)隧道而言的適用性值得商榷，有待做進(jìn)一步的研究。

（2）解析法一般適用于穩(wěn)定滲流的簡單情況，不適用于非穩(wěn)定滲流和施工環(huán)境下，當(dāng)適用于這些情況時(shí)，現(xiàn)有解析法有必要做一定的修正。

（3）數(shù)值計(jì)算法的適用范圍廣泛，但對(duì)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)素養(yǎng)要求較高，因此不適于大范圍推廣。

（4）高水壓或水下盾構(gòu)隧道施工期受到盾構(gòu)工法、復(fù)合地層以及地下水滲流影響，隧道襯砌外水壓力的分布規(guī)律更為復(fù)雜，如何在考慮諸多因素影響情況下準(zhǔn)確研判隧道襯砌外水壓力大小和分布規(guī)律，是值得研究的重要方向。