水底隧道衬砌水压力折减系数估算

ｍｅ ｏ ， ｎｂ ｓ ｆ ａ ｒ ｅｐ ｇ ｅｒ． ｈ ａ ｕａｏ ｓｌ ｈｗ： ）Ｔ ｅ ａ ｒ ｎ ｏ ｅｒａｅ ｓ ｈ ｎｎ ｅ— ｔ ｄ ｏ ａｉ ｏ ｗ ｔ — ｅ ａｅ ｈ ｏ Ｔ ｅｃｌ ｌｔ ｎｒ ｕｔ ｓｏ １ ｈ ｔ ｆ ｗｄ ｃｅｓｓ ｅｌ ｉｇ ｒ ｈ ｓ ｅｓ ｔ ｙ ｃ ｉ ｅ ｓ ｗ ｅ ｉｌ ａｔ ｉ ｐ
收 稿 日期 ：２ １ ０ ２ 修 回 日期 ： ０ ２— ５— ４ ０ １— ４— ５； ２ １ ０ ２
力折 减 系数表 。 由于 以往 对公 路 、 路 隧道 衬 砌所 受 铁
的水 压力 没有 给予 足够 的重 视 ， 折减 系数 方 法使 用 且
起来 相对 简单 ， 因此 ， 公 路 、 路 隧道 中遇 到 类似 问 在 铁 题时， 多数 通过借 用 《 水工 隧道 设 计 规范 》 的有 关 经验 和 规定来 确定 衬砌 水 压力 折减 系数 。但 《 工 隧 道设 水
图 ２ 限 排 时 。 次 衬 砌 承 担 部 分 水 压 力 二 Ｆ ｇ Ｗａ ｒｐｅｓ ｒ ｏ ｅｏ ｄ ｒ ｌ ｉｇ （ ａ ｌｉ ａｅ ａ ｄ ｉ．２ ｔ ｒｓｕｅ ｎ ｓｃ ｎ ａ ｉ ｎ ｃ ｕ ｎ ｗ ｔｒ ｎ ｅ ｙ ｎ ｋ ｇ ｌ ｉ ｎ ｒｉａ ｅ ｉ ｔ ｇｄａｎ ｇ ） ｍ ｉ
ｔ０ ｅ ｕ ｔ Ｉ ｅ ｉｂ ｅ ａ ｄ ｅｆｃ ｉｅ ｉｎ ｒ ｓ Ｉｓ ａ－ ｒ ｌ ｌ ｎ ｆｅ ｔ ． ｅ ａ ｖ Ｋｅ ｒ ｓ：ｕ ｄｅ ｗａｅ ｕ ｎ ｌ ｕ ｎ ｌｌｎ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ｎ ｒ ｔ ｒｔ ｎ ｅ ；ｔ ｎ ｅ ｉ ｉ ｇ；ｗａｅ ｒ ｓｕ ｅ；ｗａｅ ｎ ｏ ；ｒ ｄ ｃｉ ｎ ｃ ｅ ｃｅ ｔｒ ｐ ｅ ｓ ｒ ｔｒ ｉｆ ｗ ｌ ｅ ｕ ｔ ｏ ｆ ｉｎｔ ｏ ｉ
基金项 目：中国 中铁股份有限公司科技开发计划课 题（ 重点 一 ０—２ １ ） ４ ０ １ 作者简介 ： 郑波 （９ ０ ） 男 ， １８ 一 ， 湖南邵阳人 ，００年毕业 于中国铁道科学研究 院桥梁与隧道工程专业 ， 士， ２１ 博 工程师 ， 主要从事隧道及地下工程方 面的
科研与咨询工作。
ｃｅ ｃｅｔ ｓ ｅｒ ｑ ａ ｔ １ ）Ｔ ｅｅｉ ａｐ ｂｉ ｉｔ ｓｃ ｏ ｅｗ ｅ ｅｗ ｔｒｎ ｏ ｎ ｅｗ ｔ ｒｓ ｒ ｄ ｃ ｏｆ ｉ ａｌ ｅ ｕｌｏ ．２ ｈ ｒ ｓ ｕ ｌ ｅ ｅ ｔ ｎｂ ｔｅｎｔ ａ ｆ ｗ ａ ｄｔ ａ ｒ ｅｓ ｅｒ ｕ — ｉ ｎ ｉｎ ｙ ｃｎ ｒ ｉ ｈ ｅｉ ｌ ｈ ｅｐ ｕ ｅ
只能排 出部 分渗 透 到衬 砌 背后 的水 量 ， 次 衬砌 会 承 二
担水 压力 。衬砌 水压 力 由初 次支 护与 二次衬 砌共 同承 担 ， 图 ２所示 。 如
围岩
头 时 ，全 堵型 ” 砌 类 型 不适 用 ， 且 “ “ 衬 并 以排 为 主” 的
设计 原则 已经 不能 适应 当前 水环 境 的保 护 Ｊ 在 隧 道 ， 防排 水设 计 中采 用 “ 以堵 为 主 ， 量 排 放 ” 则 ， 减 限 准 既
第 ４期
郑
波 ，等 ： 水底隧道衬砌水压力折 减系数估算
４５ ７
计 规 范》 的折 减 系 数 并 没 有 考 虑 衬 砌 渗 透 性 、 中 隧道
水 限排 ” 的防排水 原 则 下 ， 了控 制地 下 水 流量 ， 隧 为 当 道设计 排水 量小 于衬 砌 背后 地 下 水 量 时 ， 排水 系统 即
ｐ ｏ ｆｔｐ ｉ ｉ ｇ ｂ ａ ｓｈ ｄ ｏ ｔｔｃ ｐ ｅ ｓ ｒ Ｈｏ ｖ ｒ ｈ ｒ ｉ ａ ｅ ｔ ｐ ｉ ｉ ｇ ｕ ｕ ｌｙ ｐ ｒｉ ｌ ｅ ｐ ｎ ｓ ｔ ｈ ｙ ｏ ｒ ｏ －ｙ ｅ ｌｎ ｎ ｅ ｒ ｙ ｒ ｓａｉ ｒ ｓ ｕ ｅ． ｗｅ ｅ ，ｔ ｅ ｄ ａ ｎ ｇ －ｙ ｅ ｌｎ ｎ ｓ ａｌ ａ ｔ ｌ ｒ ｓ ｏ ｄ ｏ ｔ ｅ ｈ ｄｒ — ａｙ
少 了作 用在衬 砌背 后 的水 压 力 ， 不 致 因 大量 无 限 制 又
排水 对 地下及 地表 环境 造成难 以弥补 的破 坏 。研究 成
初次衬砌
果 中 尚缺 少适 用性 强 的水 压 力 折减 系数 计 算公 式 ， 特
别是 缺少 适用 于工 程设计 的简 化计算 公式 。 因此 ， 文 以具 有 稳 定 水 头 的水 底 隧道 衬 砌 外 水 本
第３ ２卷 第 ４ 期
２１ ０２年 ８月
隧道建 设
Ｔｕ ｎ ｌＣｏ ｓｒ ｃｉ ｎ ｎ ｅ ｎ ｔｕ ｔｏ
Ｖ０． ２ Ｎｏ ４ １３ ．
Ａｕ ． ２ １ ｇ ０２
水 底 隧道 衬 砌 水 压 力 折 减 系数 估 算
郑 波 ，王 建 宇 ，吴 剑
６０３ ） １０ １
（ 中铁 西南科 学研 究院有 限公 司 ， 都 成
ｍｅ ｂ ｌ ｙ ｒ ｄ ｅ ．Ｗ ｈｅ ｈ ａｕ ｆｋ ／ ｉ ０ ａ ｉ ｔ ｅ ｕｃ ｓ ｉ ｎ ｔ ｅ ｖ ｌ ｅ ｏ ｌ ｋ ｓ０． ０１，ｔ ｅ ｅ ｉ ｌ ｓ ｏ ｗａｅ ｎｌ Ｗ ｎ ｈ ｔ ｒｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｕｃｉｎ ｈ ｒ ｓ ａｍｏ ｔｎ ｔｒ ｉ ｆＯ ａ ｄ ｔ ｅ ｗａｅ ｒ ｓ ｕ ｅ ｒ ｄ ｔｏ
式 ； 以某 海 底 隧道 为例 ， 过对 比分 析 并 证 明 所 推 并 通 导水 压 力 折 减 系 数 简 化 公 式 的适 用 性 与 合 理 性 ， 以
初次衬砌
期为水 底 隧道衬 切水压 力 的估算 提供 一个 可靠 的快速
计 算方 法 ， 为衬砌 结构 设 计 时 水压 力 折 减 系 数选 取 提 供 参考 。
（ ｏ ｔｗｓ Ｒ ｓ ｒ ｎｔｕ ｏ ， ｔ．ｏ Ｒ Ｃ， ｈｎ ｄ １０ １ Ｃ ｉａ Ｓ ｕ ｅ ｅ ａｃ Ｉｓ ｔｔ Ｃ ． Ｌｄ ｆＣ Ｅ Ｃ ｅｇ ｕ６ ０ ３ ， ｈｎ ） ｈ ｔ ｅ ｈ ｉｅ
Ａｂ ｔ ａ ｔ：Ｔｈ ｔ ｒｐ ｅ ｓ ｒ ｎ ｔ ｅ ｔ ｎ ｅ ｉ ｉ ｇ ｉ ｎ ｆｔ ｅ ｋｅ ａ ａ ｔｒ ｆｔ ｎ ｅ ｔｕｃｕ ｅ ｄ ｓｇ ｓｒ ｃ ｅ ｗａｅ ｒ ｓ ｕ ｅ ｏ ｈ ｕ ｎ ｌｌｎ ｎ ｓｏ ｅ ｏ ｈ ｙ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｓ ｏ ｕ ｎ ｌｓｒ ｔ ｒ ｅ ｉｎ．Ｔｈ ｔｒ ｅ ｗａ ｅ －
尺寸 、 水头 等 因素 的影 响 ， 以其 适 用性 在 公 路 、 所 铁
路 隧 道 中受 到 了很大 的 限制 。 目前 ， 国内外学者 对衬 砌水 压力 的研究 较多 ， 研究 结果 表 明 ，０～ ０ ｍ 水 头 是 “ 堵 型 ” 构 的 临界 水 ４ ６ 全 结 头 －］ ３。当地 下水位 超过 衬砌 结构所 能 承受 的 临界 水
结果表 明 ： ） １ 隧道涌水量 随着衬砌渗透系数的减小而减少 ， 当 ／ ００ １时， ｋ ＝ ．０ 涌水量几乎 为 ０ 而水压力折减 系数近似等于 １ ２ ， ；）
对于不 同的 ｋ ｋ 值 ， ｔ 水压力折减系数与涌水量存 在一个公共点 ， ／ 这个交点 范围为 ｋ ｋ ＝（ ．２ —０ ０ ） 对应 的水 压力折减 系数 ｌ ００ ／ ．３ ， 约为 ０ ５ ３ 对围岩进行注浆可 以有效减少涌水量 ， ．； ） 但仍会有较大 的水压力作用在注浆圈上 ， 对注浆圈 的长期耐久性提 出了较高 的 要求 ； ） 用隧道衬砌前 后涌水量推 导的衬砌水压力折 减系数反分析公 式 ， ４利 其计算结果可靠 、 有效 ， 以在 以后 隧道结 构设计 中 可
摘要 ： 水底 隧道 衬砌水压力是衬砌结构百度文库计 的关键参数之一 ， 根据对衬 砌水压力作用 机制的探讨 ， 全堵型 ” “ 隧道衬 砌承担全 部静
水压力 ， 而对 于“ 排水型” 隧道 ， 衬砌 只承受部分水压力 ， 作用在衬砌 上的水压力应该 进行折减 。根据 渗流理论 ， 推导 了轴对称 条件 下衬砌水压力折减系数的理论公式及利用隧道衬砌前 与衬砌后涌水量 的反分析简化公式 ， 并通过数值方法 验证 了其 可靠 性 。计算
应用 。
关键词 ： 底隧道 ； 水 衬砌 ； 水压力 ；涌水量 ； 折减系数
Ｄ ：１．９ ３ ｊｉ ｎ １７ ７ １ ．０ ２０ ．０ ＯＩ ０ ３７ ／．ｓ ．６ ２— ４ Ｘ ２ １ ．４ ０８ ｓ
中 图分 类 号 ：Ｕ４ ５４ ５ ．
文献 标 志 码 ： Ａ
文 章 编 号 ：１７ ７ １ （ ０２ ０ ０７ ０ ６ ２— ４ Ｘ ２ １ ）４— ４— ５ ４
ｒｄ ｃ ｏ ｏｆｃｅｔ ｓ ｂｕ ． ．３ ｈ ａｅ ｉ ｏ ａ ｅｅ ｅｔ ｅ ｔ ｐ ｄｂ ａ ｓ ｆ ｒｕｉｇ ４ ｈ ａｃｌ— ｅｕ ｔ ｎｃｅ ｉ ｏｔ ５ ）Ｔ ｅｗ ｔ ｆ ｗｃｎｂ ｆ ｃｉ ｌ ｓ ｐ ｅ ｙｍｅｎ ｏ ｔ ． ）Ｔ ｅｃｌ ａ ｉ ｉ ｎ ｉａ ０ ｒｎ ｌ ｆ ｖｙ ｏ ｏｇ ｎ ｕ
ｔｏ ｏ ｆｉｉｎｔｆｒ ｄｆｅ ｅ ｔｖ ｌ ｅ ｆｋ／ ｎｄ ｔ ｅ ｒ ｎ ｅ ｏ ｌ 。 ｓｆｏ ０． ｏ０． ３，ｍｅ ｎ ｉ ｉｎ ｃ ｅｆｃｅ ｏ ｉ ｒ ｎ ａｕ ｓｏ ｌｋ ，ａ ｈ ａ ｇ ｆｋ／ｋ ｉ ｒ ｍ ０２ ｔ ０ ｆ ａ ｗｈｌ ｅ，ｔ ｅ ｗａｅ ｒ ｓ ｕ ｅ ｈ ｔｒｐ ｅ ｓ ｒ
Ｃａ ｃ ｌ ｔｏ ｆ Ｒｅ ｕ ｔｏ ｅ ｃ ｅ ｔ ｏ ａ ｅ ｅ ｓ ｒ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｄ ｃ ｉ ｎ Ｃｏ ｆ ｉｎ ｆＷ ｔ ｒ Ｐｒ ｓ ｕ ｅ ｉ
ｏ ｄ ｒ ｔ ｒ Ｔｕ ｎ ｌＬｉ ｉ ｇ ｎ Ｕｎ ｅ ｗａ ｅ ｎ ｅ ｎ ｎ
Ｚ ＮＧ Ｂ ，Ｗ ＡＮＧ Ｊａ ｙ ＨＥ ｏ ｉｎ ｕ，ＷＵ Ｊａ ｉｎ
图 １ 全 排 时 ， 次 衬 砌 承 担 全 部 水 压 力 初
Ｆｇ Ｗａ ｒ ｒｓｕｅｏ ｒ ａｙｓ ｐ ｏ ｃ ｍ ｌ ｅｄ ａ ａ ｅ ｉ ．１ ｔ ｅｓ ｒ ｎｐ ｉ ｒ ｕ ｐ ｒ ｏ ｐｅ — ｒ ｎ ｇ ） ｅｐ ｍ ｔ（ ｔ ｉ
围岩
压 力折 减系数 为研 究 目标 ， 通过 分 析 衬 砌水 压 力 的作 用 机制 ， 析 推 导 水 底 隧 道 存 在 注 浆 圈 与 不 存 在 注 解 浆 圈情 况下 ， 隧道 涌 水 量 的表 达 式 ， 过 比较 隧 道 衬 通 砌 前 后 涌水 量 差 异 ， 出 水 压 力 折 减 系数 的 简 化 公 导
ｓａｉ ｒ ｓｕ ｅ ｔｔｃ ｐ ｅ ｓ ｒ ．Ｔｈ ｙ ｒ ｓａｉ ｒ ｓ ｕ ｅ ｅ ｅ ｅ ｎ ｔ ｅ ｌｎｎｇ ｓ ｏ ｌ ｅ ｒｄｕ ｅ ｅ ｈ ｄ ｏ ｔｔｃ ｐ ｅ ｓ ｒ ｘ ｒ ｄ ｏ ｈ ｉ ｉ ｈ ｕ ｄ ｂ ｅ ｃ ｄ．Ｔｈ ｔ ｒｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｕｃｉｎ ｃ ｅ — ｔ ｅ ｗａｅ ｒ ｓ ｕ ｅ ｒ ｄ ｔｏ ｏ ｆ ｉ
０ 引 言 计 算 隧道衬砌 水 压 力 的方 法 较 多 ， 要有 折 减 系 主
数法 、 数值 解 析 法 、 论 解 析 法 及 渗 流 分 析 法 等 。其 理 中， 以折减 系数法 最 为普 遍 ， 该方 法最早 应用 于水工 隧 道 ， 且在 《 并 水工 隧洞设 计 规 范》 中提 出了 明确 的水 压
ｃ ｅ ｔｏ ｅ ｌ ｉｇ ｕ ｄ ｒｔ ｅ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓｏ ｘ ａ ｓ ｍｍｅｒ ｓｄ ｄ ｃ ｄ，ａ ｄ ｉ ｅ ｉｂ ｌ ｙ ｉ ｖ ｒ ｅ ｙ ｍｅ ｎ ｆｎ ｍｅ ｃ ｌ ｉｎ ｆｔ ｉ ｎ ｎ ｅ ｈ ｏ ｄ ｔ ｎ ｆａ ｉｌ ｙ ｈ ｎ ｉ ｔ ｉ ｅｕ ｅ ｙ ｎ ｔ ｒ ｌ ｉ ｔ ｓ ｅ ｆ ｄ ｂ ａ ｓｏ ｕ ｒ ａ ｓ ａ ｉ ｉ ｉ ｉ