隧道力学第8讲(中南大学施成华)剖析

中南大学土木工程学院隧道工程系主讲教师：施成华隧道力学第8讲隧道力学的特殊问题本讲主要内容：1、概述2、隧道衬砌水压力的计算问题3、隧道力学的特殊问题一、概述随着我国工程建设的发展，隧道越建越多，隧道所处的地质环境也越来越复杂，出现了越来越多的特殊问题。（1）富水隧道的水压力计算问题;（2）隧道施工的时空效应问题;（3）流固耦合计算问题；（4）温度场和应力场的耦合计算问题；（5）软弱围岩大变形的力学分析；（6）复杂空间隧道结构的计算问题;第8讲隧道力学的特殊问题—概述土木工程学院隧道工程系施成华一、概述（7）隧道围岩的本构关系和屈服准则;（8）隧道围岩结构面的力学特性问题；（9）多层支护的力学分析问题；（10）隧道拆撑过程的力学分析问题；（11）高地应力隧道的岩爆问题；（12）隧道结构动力学问题（13）隧道工程问题的反演分析理论与方法（14）岩溶隧道的施工安全问题第8讲隧道力学的特殊问题—概述土木工程学院隧道工程系施成华二、隧道衬砌水压力计算理论目前，国内外隧道工程对地下水的处理方式基本上可分：全封堵方式，堵水限排方式和排导方式三种。全封堵方式为不设置衬砌背后的地下水排导系统，衬砌结构承受同地下水头相当的水压力；排导方式为在衬砌后设置包括盲沟等地下水排导系统，衬砌不考虑水荷载的作用；堵水限排方式是采取地层注浆等方式减少进入隧道内地下水排量，同时在衬砌背后设置排导系统，将进入隧道内的地下水排走，衬砌结构承受部分水压力。第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题土木工程学院隧道工程系施成华二、隧道衬砌水压力计算理论在全封堵情况下，地下水静水压力并不因为岩土介质的渗透性有所降低而改变其传递规律，衬砌要承受同地下水水头基本相当的水压力，当隧道埋置较深，地下水水头较高时，隧道结构设计非常困难，并且不合理；排导方式下隧道衬砌结构设计可基本上不考虑衬砌的水压力荷载，从而可使隧道衬砌设计得比较经济合理；第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题土木工程学院隧道工程系施成华二、隧道衬砌水压力计算理论在堵水限排方式下，减少了地下水进入隧道内的排水量，对地表水环境影响较小，同时由于设置了排导系统，衬砌结构承受的外水压力可进行大幅度折减，使隧道设计更趋合理。因此，对于地下水位较高的深埋山岭隧道，隧道设计时通常采取“以堵为主、限量排放”的防排水原则。第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题土木工程学院隧道工程系施成华实现限量排放的一种方式是在隧道的防排水系统中安设一种控制阀门。当水压达到一定值时，阀门打开排水，当水压低于某一值时，阀门关闭，这种控制排水系统在广州地铁隧道中曾经使用过，但是由于经常开闭，阀门极易损坏，再加上水中含有大量泥砂，常常使阀门堵塞，最终失去控制排水功能，并使得衬砌背后水压增大造成衬砌破坏。第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题二、隧道衬砌水压力计算理论土木工程学院隧道工程系施成华另一种控制排放的方式主要针对山区高水位隧道，如岩溶富水区，隧道的设计可以采取多道防线、层层设防，在隧道衬砌外面的围岩中设计一定厚度的注浆堵水圈，减少流向隧道衬砌背后的总渗流量，再在隧道衬砌背后设置排水措施排出剩余的水量来降低外水压力。在这种方式下，初期衬砌和二次衬砌之间加设了防水板，二次衬砌是防水混凝土，因此，地下水荷载在围岩和注浆加固圈中表现为渗流体积力，而在二次衬砌上为边界力，可以称为衬砌外水压力。第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题二、隧道衬砌水压力计算理论注浆堵水层衬砌↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓水压反滤层（存水空间）图1隧道设计情况示意图排水土木工程学院隧道工程系施成华假定围岩为各向同性均匀连续介质，隧道为圆形，地下水头很高，设为H，水流为稳定流，其运动规律服从Darcy定理。r0为衬砌内径；r1为衬砌外径；rg为注浆圈半径；r2为远场距离，等于H；由于衬砌厚度相对于地下水头较小，衬砌渗透力可以简化为作用在衬砌外缘的表面力，该表面力取该处的孔隙水压力。第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题1.限量排放下的水压力理论为了求得隧道排水量Q和衬砌及注浆圈外缘的水压力，考虑隧道所处的地下水头很高，水流为稳定流，可根据地下水动力学理论，以无限含水层中的竖井为例进行理论分析。土木工程学院隧道工程系施成华基本假定：（1）水层均质、各向同性，厚度不变，分布面积很大，可视为无限延伸；（2）抽水前的地下水面是水平的，并视为稳定的；（3）含水层中的水流服从Darcy定律，并在水头下降的瞬间水就马上释放第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题1.限量排放下的水压力理论设承压含水层中有一竖井，井的内半径为r0，衬砌外半径为r1，由于抽水引起了水头降落，井内径处水头为h0，外半径处水头为h1，远场稳定水头在半径r2处，为h2；衬砌渗透系数为k1，围岩渗透系数为k2。土木工程学院隧道工程系施成华水流有如下特征：（1）水流为水平径向流，即流线为指向井轴的径向直线，等水头面为以井为共轴的圆柱面，并和水平断面一致；（2）通过各过水断面的流量处处相等，并等于井的流量。因此可取A-A剖面进行分析。第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题1.限量排放下的水压力理论此径向流的水头分布满足Laplace方程，转换成柱坐标形式，并考虑水流是水平对称的，应有0)dd(ddrhrrCrhrdd积分可得：土木工程学院隧道工程系施成华设Q1为断面A-A处通过围岩的流量，即当r1rr2时，有第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题1.限量排放下的水压力理论利用分离变量法积分，引入边界条件r=r2,h=h2；r=r1,h=h1同理，断面A-A处通过衬砌的流量Q2为：rhrkQrdd21rkQrhr2dd12121d2d1hhrrrrrkQh12121ln/)(2rrhhkQr01012ln/)(2rrhhkQl土木工程学院隧道工程系施成华因为Q1=Q2=Q，由此可得：第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题1.限量排放下的水压力理论当井内无内水压时h0=0，则则有：)lnln/()lnln(01121200121rrrrkkrrkkhrrhhrlrl)lnln/(ln01120121rrrrkkrrhhrl12012011lnln2ln2rrrrkkhkrrhkQlrrl土木工程学院隧道工程系施成华由于假定围岩为各向同性均匀连续介质，隧道为圆形，地下水头很高，水流为稳定流，这时隧道的排水量Q和衬砌外水压力P完全可以由上面求得的h1和Q决定。因此在无注浆情况下，有第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题1.限量排放下的水压力理论)lnln/(21201rrrrkkHkQlrr)lnln/(ln011201rrrrkkrrHPrl土木工程学院隧道工程系施成华在有注浆圈情况下，令kl为衬砌渗透系数；kg为注浆体渗透系数；kr为围岩渗透系数，可以依照上述推导过程建立方程第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题1.限量排放下的水压力理论01011g1ggg2gln)(2ln)(2ln)(2rrhhkrrhhkrrhHklr土木工程学院隧道工程系施成华由此求得：第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题1.限量排放下的水压力理论其中h1、hg为衬砌和注浆加固圈外的水头，Pg为注浆加固圈外水压力。0112lnlnln2rrkkrrkkrrHkQlrggrgr1201011lnlnlnlnrrkkrrkkrrrrHhPgglgrl122121lnlnlnlnlnlnrrkkrrrrhrrrrkkrrHhPggrgglggrgggg土木工程学院隧道工程系施成华宜万线野三关隧道，地层渗透系数Kr=0.036m/d,采用单线160km/h断面尺寸，设隧道为圆形，r0=4.89m,r1=5.6m,地层渗透系数与注浆圈渗透系数之比为n。第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题2.算例土木工程学院隧道工程系施成华第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题2.算例（1）当采取排水措施后，衬砌上水压随排水量的增加而减小；（2）注浆范围越大，注浆效果越好，衬砌上水压越小，注浆圈上的水压越大，但是当注浆范围大到一定程度后，衬砌上水压随注浆范围的增大变化已经不太明显，说明注浆半径的选取有一个合理范围。（3）在衬砌渗透性不变的情况下，注浆范围越大、注浆效果越好，排水量可以越小，因此注浆圈可以起到控制排水的作用，给定了隧道某一段的合理排放量以后，就可以确定注浆的范围和注浆水平。土木工程学院隧道工程系施成华无注浆圈时衬砌水压折减系数可以表示为：第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题3.隧道衬砌水压力折减系数有注浆圈时衬砌水压折减系数可以表示为：)lnln/(ln011201rrrrkkrrrl无120101lnlnlnlnrrkkrrkkrrrrgglgrl有（1）在隧道开挖半径、衬砌厚度一定的情况下，无注浆圈时衬砌水压折减系数与远场水头H（这里r2=H）以及衬砌和围岩的相对渗透系数有关，（2）有注浆圈时衬砌水压折减系数不仅与远场水头H（这里r2=H）、衬砌和围岩的相对渗透系数有关，还与注浆半径以及注浆圈渗透系数有关。土木工程学院隧道工程系施成华不考虑注浆时衬砌水压折减系数表第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题3.隧道衬砌水压力折减系数当Kl/Kr=0即衬砌基本不透水时，衬砌上水压不能折减；随着Kl/Kr的增加，衬砌水压折减系数减小，说明衬砌上水压在减小；但当Kl/Kr=1时，并不等于0，而且水头越小，越大。由于Kl/Kr=1实际上类似于毛洞状况，地下水自由排放，作用在衬砌上的水压力不为0。远场水头H(m)kl/kr00.0010.010.10.5150010.948540.648270.155630.035550.018130010.954310.676250.172790.04010.0204620010.958950.700240.189360.044630.0228310010.966980.745440.226510.055330.028455010.975140.796880.281780.072760.03775土木工程学院隧道工程系施成华有注浆圈存在时，衬砌水压折减系数表第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题3.隧道衬砌水压力折减系数随着Kg/Kr的减小，衬砌水压折减系数减小，说明注浆效果越好，衬砌水压越小。远场水头H(m)kg/kr0.00010.0010.010.10.515000.007540.070220.414960.815120.891540.902113000.007550.070280.417160.823690.901800.912622000.007550.070330.418940.830620.910110.921141000.007550.070420.422000.842740.924690.93607500.007550.070510.425100.855220.939740.95149土木工程学院隧道工程系施成华第8讲隧道力学的特殊问题—问题讨论三、问题讨论（1）富水隧道的水压力计算问题要点：（1）通常条件下水压力的计算方法；（2）施工阶段水压力的计算，主要讨论隧道施工工作面在动水压力（渗透力）的作用下的稳定性的计算分析；（3）使用阶段水压力的计算，主要讨论压力水头如何折减，作用在隧道衬砌结构上的水压力如何计算。土木工程学院隧道工程系施成华（2）隧道施工的时空效应问题第8讲隧道力学的特殊问题—问题讨论三、问题讨论要点：（1）什么是时空效应；（2）隧道施工过程中初始地应力释放的时间效应和空间效应，（3）隧道施工工作面对隧道初始应力释放过程的影响；（4）隧道施工过程中隧道洞周收敛位移的时空效应。土木工程学院隧道工程系施成华（3）流固耦合计算问题第8讲隧道力学的特殊问题—问题讨论三、问题讨论要点：（1）流固耦合计算的常用方