谈高水压山岭隧道车砌水压力的计算.pdf

第三届铁路隧道年会论文集 谈高水压山岭隧道衬砌水压力的计算 仇文革 高新强 （西南交通大学土木工程学院 成都 610031） [摘 要] 在高水压岩溶区修建隧道在国内外都是个技术难题，采用理论分析方法和等效连续 介质模型用数值方法分析了隧道渗流场的分布，对地下水在围岩、注浆圈、衬砌上 水压力分布规律及其作用系数进行了分析。研究结果表明衬砌背后水压力的大小 与围岩、注浆圈、衬砌的厚度、渗透系数和隧道的控制排水量关系密切。 [关键词] 山岭隧道；衬砌水压力；水压力作用系数；水压力计算 1 引 言 山岭隧道地下水流是处于地下水流系统 之中，隧道所处的水力单元不同隧道位置的渗 流场也有所不同。在山体中开挖隧道后地下水 的所有补给、排泄状态见图 1。尽管隧道围岩 裂隙发育，注浆堵水后仍可将围岩、注浆圈、 衬砌看成是符合达西定律的串联水流网络；若 围岩中存在大的岩溶管道，可以视为并联水流 网络；若两种都存在可以视为混合水流网络。 谷地洼地 水塘 蒸发 渗透 涌泉 河川流出 降水 河川流入 地下水流入 地下水流出 500m 11068m 隧道侧面 隧道侧面 隧道轴线方向隧道轴线方向 Έ 掌子面 隧道涌水 H0500m 隔水层 含水层 含水层 初始地下水位线 w L 图 1 隧道区地下水补给与排泄的示意图 隧道开挖后根据地下水补给量（Qg）和 隧道最大排水量（Qp）的大小关系可以产生 3 种演变模式（见图 2） 。 78 2005-12 第三届铁路隧道年会论文集 岩体层1 岩体层2 岩体层3 隧道衬砌背后不设排水系统 通过衬砌渗透时水压力线 隧道衬砌背后设排水系统 并控制排水量时水压力线 施做衬砌后地下水位线 隧道 开挖后地下水位线 隧道 地面 降水渗透 初始地下水位线 岩体层1 岩体层2 岩体层3 注浆加固圈 衬砌 水压力 静水压力线 静水压力线 水压力 注浆圈 岩体层3 岩体层2 岩体层1 初始地下水位线 降水渗透 地面 开挖后地下水位线 水压力 地面 降水渗透 初始地下水位线 隧道 注浆圈 衬砌 b QgQp 图 2 隧道衬砌水压力 3 种模式 （a）种模式，地下水补给量（Qg）远远 小于隧道最大排水量（Qp） ，地下水水位降低 到隧道以下，衬砌上的水压力等于 0。 （b）种模式，地下水补给量（Qg）小于 隧道最大排水量（Qp） ，地下水水位降低到一 定程度后处于稳定状态，隧道处的水头小于原 始水头 0 Hγ，衬砌上有可能存在一定的水压 力。 79 2005-12 （c）种模式，地下水补给量（Qg）远远 大于隧道最大排水量（Qp） ，地下水水位处于 稳定状态，若全封堵，隧道处的水头基本等于 原始水头 0 Hγ，在排水状态下，衬砌上也有可 能存在一定的水压力。本文主要讨论这种条件 下衬砌上的水压力。 2 均质围岩中水压力的计算 2.1 浅埋隧道 隧道处于浅埋时，计算衬砌水压力和最 大涌水量可以分别采用（1）式和（2）式计算 [3]（二维非轴对称流） 。 ）（ w r H K Q HP 00 0 ln 2π γ− （1） w r H KH Q 0 0 max ln 2π （2） 式中，γ为水的容重，N/m3； P 为作用于衬砌外表面的水压力， Pa； K 为岩层等效渗透系数，m/s； H0为隧道原始静水头，m； γw为开挖隧道断面等价圆半径，m； hw为开挖隧道断面上的水头，m； Qmax为隧道最大涌水量，m3/s。 图 3 围岩、注浆圈和衬砌各层渗流模型 （c）衬砌衬砌（b）注浆圈注浆圈 （a）围岩、注浆圈和衬砌围岩、注浆圈和衬砌 Pl Pg Pl rl Q0 r1 P1 rl rg Qg ,Kg ,Lg Pl 围岩 Pr Pg Pl Q0 Ll Kl ,Q l , Pg Lg Lr Kg ,Qg , Qr , Kr , rr rg rl r1 衬砌 注浆圈 P1 第三届铁路隧道年会论文集 2.2 深埋隧道 在一些山岭隧道的修建中，隧道的埋置 深度大，隧道穿越富水区，水头高（如圆梁山 隧道和锦屏交通隧道） ， 如何在不影响生态环境 的条件下，安全、可靠地进行隧道设计、施工 和运营一个关键的问题就是如何确定衬砌上水 压力大小[12]。 目前，在隧道衬砌水荷载的计算中，铁 路、交通部门还没有制定统一的规范，大多还 是参照水工隧洞设计规范和经验方法，有关水 荷载的论述也散见于各部门和学科的专著及专 业杂志上。水工隧洞中衬砌水荷载一般包括内 水压力和外水压力两部分[4]，二者作用对象均 为衬砌 （对于围岩可直接称为水压力） 。 外水压 力是和有压隧洞中内水压力相对而言的，而铁 路、公路隧道一般不存在内水压力，通常简称 为“水压力”[5]，故其衬砌水荷载与外水压力指 的是同一概念。 若深埋隧道围岩完整，裂隙不发育时， 可以假定围岩为均质各向同性，根据地下水动 力学理论，以无限体含水层中的竖井进行理论 分析（可视为轴对称流） 。 根据图 3 的隧道渗流模型推导得到计算 衬砌背后水压力的计算公式 ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − g r r l l g g ll l r wlwl r r K K r r K K r r r r HH HHP lnlnln ln 1 1 1 1 γγ （3） 式中 每延米隧道排水水量； 0 Q 衬砌内表面水头； 1 H 衬砌背后水头； l H 注浆圈圈外表面水头； g H 围岩表面水头； r H 围岩渗透系数； r K 注浆圈渗透系数； g K 衬砌渗透系数； l K 衬砌内半径； 1 r 衬砌外半径； l r 注浆圈半径； g r 围岩半径； r r w γ水的容重； 衬砌背后水压力； l P 注浆圈外表面水压力。 g P 铁路隧道衬砌内表面的水压力认为 等于 0，围岩的半径等于地下水的静水头 ，则（3）式可以表示为 1 H r r 0 H gr l l g g ll l w lwl r H K K r r K K r r r r H HP 0 1 1 0 lnlnln ln γ γ （4） 若衬砌为复合式衬砌，衬砌背后设防水 布、防水布后设置无纺布渗透层和盲管排水系 统，此时设衬砌不透水，从注浆圈渗出的地下 水只从排水系统排出。 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − gl g g r r w wl r H r r K K K Q HP 00 0 lnln 2π γ γ （5） （4） 、 （5）式中符号的含义同（3）式。 3 裂隙围岩中水压力的计算 3.1 计算模型 裂隙围岩中水压力的计算以圆梁山隧道 毛坝向斜区[6]为例进行阐述，该岩溶管道在接 近地表的浅部极其发育。岩溶发育高程的下限 在海拔 900 左右， 900 米以下岩溶现象不发育， 而隧道的高程在 550 米，深孔钻探稳定水位为 999.69 米， 说明在高程 900 米到 999.69 米以上 地下水运动以岩溶管道和溶隙流为主，具有非 线性特性，而在 550 米高程到 900 米高程，溶 蚀现象不明显，和隧道发生直接水力联系的地 下水系统应该是裂隙系统，900 米高程以上岩 溶管道系统对裂隙系统起补给源的作用，和隧 道不直接发生水力联系。针对研究的区域可以 近似忽略 900 米高程以上地下水运动的非线性 特性并将其处理为线性流，通过使用等效岩体 水力学参数将其概化为等效连续介质模型（式 6） ，对隧道周围渗流场进行数值模拟。 80 2005-12 第三届铁路隧道年会论文集 ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ≥Γ∈′ ∂ ∂ ∂ ∂ ≥Γ∈ Ω′ ∈′ Ω′ ∈≥ ∂ ∂ −− ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ ∂ ∂ ′ 02 011 10 0 *** ,,,,,,cos,cos ,,,,,,, ,,,,, , ,,, ttzxtzxqzn z H Txn x H T ttzxtzxHtzxH zxzxHtzxH zxtt t H SzzxxQ z H K zx H K x M zzxx b iiizzxx δ （6） 式中，H岩溶地下水水头； ** , yyxx KK 和分别为等效裂隙介 质的等效渗透系数和等效储水系数； * S M′ 岩溶介质含水层厚度 （对于非承 压水，使用自由水头） ； i Q第i口开采井抽水量； δ 狄拉克函数； * 0 H初始水头； * 1 H已知定水头； 1 Γ、第一、二类边界； 2 Γ * 1 * 1 , yyyyxxxx KMTKMT⋅⋅ 等效导水系数； Ω′ 地下水渗流区域。 3.2 边界条件分析 隧道毛坝向斜段的地层依次为S、D的 泥岩和砂质泥岩，与的石灰岩， 和的石灰岩、的薄层泥岩、石灰岩等。 根据深孔抽水试验，与、的导水 性较好，试验中，水位恢复快，为该区的主要 富水岩层；和则富水、导水性较差， 试验抽水后，水位不能恢复； ql P 1 m P1 c P2 d T1 w P2 ql P 1 m P1 d T1 c P2 w P2 S、D的地层基 本可以看作隔水层。 隧道穿越地层主要是 与的石灰岩，和的薄层泥岩、石 灰岩等。 由于地层的封隔， 除断层导入外， 和与没有产生直接的水力联系。 隧道附近有北西向平移断层经过，其中两条和 隧道走向近于平行的平移断层和规模 较大，从 110000 工程地质图上分析，基本切 穿了以上地层，考虑到上层的富水岩层由 于断层的导入作用， 在分析隧道穿越的与 地层渗流场时，将这两条断层选作定水头 边界。当与隧道围岩向隧道排水时， 假定通过断层补给这两个岩层，并保持自 己的水头不变。据隧道地勘报告报告，900m 标高以上岩体岩溶比较发育，岩溶水的快速径 流与补给是可能形成定水头边界的。 ql P 1 m P1 c P2 w P2 w P2 d T1 ql P 1 m P1 6 F 10 F d T1 ql P 1 m P1 ql P 1 m P1 d T1 S、D的 地层则处理为与隧道围岩渗流区东 西和底板的隔水边界。上边界取为水头边界条 件，相对隧道中心位置水头为 490m，下边界、 左右边界取为不透水边界；隧道衬砌内边界水 压力为 0。 ql P 1 m P1 3.3 地下水渗流模型岩体水力学参数分析 主要根据深孔压水试验和抽 水试验成果与在野外根据不同标高节理裂隙统 计计算的渗透张量给出。深孔压水 试验和抽水试验成果各层渗透系数见表1和2， 在野外根据不同标高节理裂隙统计计算的渗透 张量见表 3。计算分析采用表 4 中渗透系数。 1_ 1 −YZ 1_ 1 −YZ 81 2005-12 第三届铁路隧道年会论文集 1_ 1 −YZ深孔压水试验成果表 表 1 试验段编号 m L试验长度 试验井段 层位 岩 性 单位吸水量 （l/min.mm） 渗透系数 （m/d） 1 20. 6 51.35046.320− d T1 灰色石灰岩，局部岩芯破碎，未见溶孔 0.00669 0.00652 2 20. 6 51.35031.344− d T1 灰色石灰岩，岩芯破碎，未见溶孔 0.0113 0.0114 3 10. 6 11.51001.504− c P2 灰色白云岩，岩芯较完整，未见溶孔 0.0110 0.0112 4 61.10 61.52600.516− c P2 灰色白云岩，岩芯破碎，未见溶孔 0.0129 0.0148 5 20. 6 69.56649.560− w P2 硅质灰岩，岩芯破碎，未见溶孔 0.00643 0.00660 6 46. 8 47.79801.790− w P2 灰色白云岩，岩芯破碎，未见溶孔 0.00605 0.00664 1_ 1 −YZ深孔抽水试验成果表 表 2 试验段层 试验段厚度 M （m） 静止水位（m） 降深 S （m） 流量 Q （L/s） 单位流量 q （L/sm） 渗透系数 （m/d） d T1 96.66 139.34 27.18 0.00669 0.00652 0.0160 c P2 108.96 126.85 35.98 0.0113 0.0114 0.0000561 w P2 131.96 121.27 50.19 0.0110 0.0112 0.0000202 m P1 120.33 127.70 34.72 0.0129 0.0148 0.0147 根据不同标高节理裂隙统计计算的渗透张量 表 3 Kxx（m/d） Kyy（m/d） Kzz（m/d） 标高 （m） 主值 方位 主值 方位 主值 方位 渗透球张量K （m/d） 900 3.1490 192.8∠39 1.4350346.2∠47.8 0.480991.6∠13.5 1.292 800 1.4430 192.8∠39 0.6584345.0∠47.6 0.219892.1∠13 0.5933 700 0.6840 192.8∠39 0.3115347.2∠48 0.104392.6∠12.3 0.2811 600 0.3369 192.8∠39.1 0.1533348.4∠48.3 0.051192.1∠12.3 0.1381 500 0.1623 192.8∠39 0.0740335.4∠47.7 0.024792.1∠13.9 0.0667 400 0.0709 192.0∠39 0.0323347.2∠48 0.010892.1∠13 0.0291 有限元分析模型围岩渗透参数分区表 表 4 围岩位置 标高（m） 渗透系数（m/d） 第一层 800-900 0.9443 第二层 700-800 0.4372 第三层 600-700 0.2096 第四层 480-600 0.1024 82 2005-12 第三届铁路隧道年会论文集 3.4 有限元模型和计算工况划分 毛坝向斜段隧道衬砌为复合式抗水压衬 砌，采用圆形断面型钢混凝土衬砌。有限元模 型和网格划分见图 4。 分析工况按隧道是否设排水系统、注浆 圈的渗透系数、厚度、衬砌渗透系数等分表 5 中 46 种工况。 表 5 中， 围岩采用等效连续介质 模拟，工况 1-1～1-31 注浆圈、衬砌采用各项 同性均匀介质模拟；工况 2-1～2-8 中衬砌看成 是不透水材料，衬砌背后通过设置渗透系数较 大的透水材料模拟排水系统；工况 3-1～3-7 中 也将衬砌看成不透水材料，在排水孔位置设置 渗透系数很大的材料模拟。 （a）整体 （b）隧道周围 图 4 有限元模型和网格划分 等效连续介质有限元分析工况表 表 5 工况 编号 排水型式 注浆圈 厚度Lg/m 注浆圈渗透 系数Kg/cm/S 衬砌渗透 系数Kl /cm/S 1-1 水通过衬砌渗流进隧道 0 4.610-8 1-2 水通过衬砌渗流进隧道 3 4.6010-74.610-8 1-3 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-44.610-4 1-4 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-44.610-5 1-5 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-44.610-6 1-6 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-44.610-7 1-7 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-44.610-8 1-8 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-44.610-9 1-9 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-44.610-10 1-10 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-54.610-4 1-11 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-54.610-5 1-12 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-54.610-6 1-13 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-54.610-7 1-14 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-54.610-8 1-15 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-54.610-9 1-16 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-54.610-10 83 2005-12 第三届铁路隧道年会论文集 84 2005-12 续上 工况 编号 排水型式 注浆圈 厚度Lg/m 注浆圈渗透 系数Kg/cm/S 衬砌渗透 系数Kl /cm/S 1-17 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-64.610-4 1-18 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-64.610-5 1-19 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-64.610-6 1-20 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-64.610-7 1-21 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-64.610-8 1-22 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-64.610-9 1-23 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-64.610-10 1-24 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-74.610-4 1-25 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-74.610-5 1-26 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-74.610-6 1-27 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-74.610-7 1-28 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-74.610-8 1-29 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-74.610-9 1-30 水通过衬砌渗流进隧道 5 4.6010-74.610-10 1-31 水通过衬砌渗流进隧道 8 4.6010-74.610-8 2-1 水通过排水系统进隧道 0 2-2 水通过排水系统进隧道 3 4.6010-7 2-3 水通过排水系统进隧道 5 4.6010-4 2-4 水通过排水系统进隧道 5 4.6010-5 2-5 水通过排水系统进隧道 5 4.6010-6 2-6 水通过排水系统进隧道 5 4.6010-7 2-7 水通过排水系统进隧道 5 1.3010-6 2-8 水通过排水系统进隧道 8 4.6010-7 3-1 仅在衬砌墙脚位置设排水孔 0 3-2 仅在衬砌墙脚位置设排水孔 3 4.6010-7 3-3 仅在衬砌墙脚位置设排水孔 5 4.6010-4 3-4 仅在衬砌墙脚位置设排水孔 5 4.6010-5 3-5 仅在衬砌墙脚位置设排水孔 5 4.6010-6 3-6 仅在衬砌墙脚位置设排水孔 5 4.6010-7 3-7 仅在衬砌墙脚位置设排水孔 8 4.6010-7 3.5 计算结果及分析 各工况计算得到的隧道控制排水量、注 浆圈外表面、衬砌背后水压力作用系数结果见 表 6。通过表 6 中的数据可以看出 （1）水通过衬砌渗透进隧道时，衬砌背 后水压力作用系数αl随着注浆圈厚度的增加而 逐渐减小；水通过排水系统进隧道时，因隧道 衬砌背后的地下水基本排光，衬砌背后水压力 作用系数αl很小（近似等于零） ，但这并非就是 说衬砌背后设置了排水系统，水压力作用系数 第三届铁路隧道年会论文集 85 2005-12 αl就等于 0，如若注浆圈的渗透系数为 4.610-6cm/S，厚度为 5m，隧道控制排水量为 5m3/d.m时，计算得水压力作用系数αl为 0.69， αg为 0.97；仅在衬砌墙脚位置设排水孔时，衬 砌背后水压力作用系数αl除不设注浆圈外均随 着注浆圈厚度的增大而减小，并且注浆圈厚度 相同，αl要略大于水通过衬砌渗流进隧道的情 况；隧道排水量随着注浆圈厚度的增加而明显 减小，不注浆时排水量很大，可见在高水位富 水区修建隧道不进行注浆堵水是不可行的。 等效连续介质有限元分析结果表 表 6 衬砌背后 注浆圈外表面 工况 编号 水压力Pl/MPa 水压力作用系数αl水压力Pg/MPa水压力作用系数αg 隧道排水量 Q0/m3/d.m 1-1 4.877 1.00 4.882 1.00 0.669 1-2 3.996 0.82 4.884 1.00 0.548 1-3 0.117 0.02 0.506 0.10 160.525 1-4 0.963 0.20 1.283 0.26 130.095 1-5 3.478 0.71 3.594 0.73 47.696 1-6 4.708 0.96 4.723 0.96 6.455 1-7 4.880 1.00 4.882 1.00 0.669 1-8 4.898 1.00 4.898 1.00 0.067 1-9 4.900 1.00 4.900 1.00 0.007 1-10 0.068 0.01 2.334 0.48 93.614 1-11 0.667 0.14 2.620 0.53 83.181 1-12 2.869 0.59 3.821 0.78 39.343 1-13 4.576 0.93 4.728 0.96 6.275 1-14 4.866 0.99 4.882 1.00 0.667 1-15 4.897 1.00 4.898 1.00 0.067 1-16 4.898 1.00 4.900 1.00 0.007 1-17 0.010 0.00 4.403 0.90 18.136 1-18 0.129 0.03 4.414 0.90 17.706 1-19 1.044 0.21 4.508 0.92 14.311 1-20 3.578 0.73 4.765 0.97 4.906 1-21 4.725 0.96 4.882 1.00 0.648 1-22 4.882 1.00 4.898 1.00 0.067 1-23 4.898 1.00 4.900 1.00 0.007 1-24 0.001 0.00 4.845 0.99 2.001 1-25 0.015 0.00 4.845 0.99 1.996 1-26 0.142 0.03 4.847 0.99 1.944 1-27 1.125 0.23 4.858 0.99 1.542 1-28 3.669 0.75 4.886 1.00 0.503 1-29 4.741 0.97 4.898 1.00 0.065 1-30 4.884 1.00 4.900 1.00 0.007 第三届铁路隧道年会论文集 86 2005-12 续上 衬砌背后 注浆圈外表面 工况 编号 水压力Pl/MPa 水压力作用系数αl水压力Pg/MPa水压力作用系数αg 隧道排水量 Q0/m3/d.m 1-31 3.340 0.68 4.888 1.00 0.458 2-1 0.177 0.04 1.215 0.25 132.448 2-2 0.000 0.00 4.824 0.98 6.626 2-3 0.190 0.04 0.611 0.12 154.160 2-4 0.110 0.02 2.481 0.51 86.964 2-5 0.000 0.00 4.446 0.91 16.335 2-6 0.000 0.00 4.850 0.99 1.791 2-7 0.000 0.00 4.762 0.97 4.964 2-8 0.000 0.00 4.865 0.99 1.305 3-1 2.268 0.46 2.794 0.57 75.574 3-2 4.077 0.83 4.886 1.00 0.499 3-3 1.370 0.28 1.653 0.34 117.059 3-4 3.182 0.65 3.979 0.81 32.932 3-5 3.793 0.77 4.785 0.98 4.098 3-6 3.818 0.78 4.888 1.00 0.442 3-7 3.525 0.72 4.889 1.00 0.404 （2）隧道排水型式不同时，整体水压力 等值线形状除隧道周围一定范围内不同，其它 位置基本为水平直线；但注浆圈和衬砌内的水 压力等值线与隧道的排水型式有着密切的关 系，“水通过衬砌渗流进隧道”时，水压力等值 线在衬砌和注浆圈内为圆环形状， 衬砌内密集， 衬砌承担了大部分水压力，注浆圈内的水压力 等值线相对稀疏，注浆圈和衬砌内渗流速度矢 量方向为隧道径向；“水通过排水系统进隧道” 时，注浆圈内水压力等值线为圆环形状，注浆 圈内较密集， 注浆圈承担了很大一部分水压力， 渗流速度矢量方向也为隧道径向，而在排水系 统内渗流矢量方向是沿隧道环向流向排水孔； “仅在衬砌墙脚位置设排水孔”时，隧道附近水 压力等值线在排水孔位置密集，形状与前两种 情况截然不同，注浆圈和衬砌内的渗流速度矢 量图的分布在隧道断面上变化也很大，排水孔 位置变化明显。由此可见，在衬砌背后设置排 水系统对减小水压力作用系数作用是明显的。 （3）当注浆圈厚度Lg＝5m，水通过衬砌 渗流进隧道时，随着衬砌渗透系数的减小，注 浆圈外表面和衬砌背后水压力作用系数逐渐增 大，都趋近于 1，这是因为衬砌渗透系数减小 到 10-9数量级后，隧道内排水量都近似等于 0； 在衬砌渗透系数相同时， 注浆圈渗透系数减小， 其外表面水压力作用系数增大，而对应衬砌外 表面水压力作用系数减小。隧道内排水量随着 衬砌渗透系数的减小，逐渐减小并趋近于 0。 （4）当注浆圈厚度为 5m，水压力作用 系数α和隧道内排水量与注浆圈渗透系数Kg的 关系分别见图 5 和图 6。图中，A、B、C表示 隧道的排水型式分别为“水通过衬砌渗流进隧 道（Kl4.610-6cm/S）”、“水通过排水系统进 隧道”、“仅在衬砌墙脚位置设排水孔”。由图 5 可以看出随着注浆圈渗透系数的减小，注浆 圈外表面水压力作用系数逐渐增大，都趋近于 1，衬砌背后水压力作用系数在A、B两种排水 型式下逐渐减小，B种排水型式下近似等于 0， C种排水型式下逐渐增大，三种排水型式下， 在衬砌背后设置排水系统后水压力作用系数最 第三届铁路隧道年会论文集 小。 隧道内排水量随着注浆圈渗透系数的减小， 逐渐减小并趋近于 0（图 6） 。 87 2005-12 图 5 水压力作用系数α与注浆圈渗透系数Kg的关系 图 6 Q0Kg关系 4 结 论 （1）衬砌背后水压力作用系数，随衬砌 渗透系数的减小而增大，并趋近于 1.0（隧道 周边水力势） ，随着注浆圈厚度的增大而减小， 随着注浆圈渗透系数的减小而减小； （2）隧道排水量随衬砌渗透系数的减小 而减小，并趋近于 0，随着注浆圈厚度的增大 而减小，随着注浆圈渗透系数的减小而减小； （ 3 ） 若 注 浆 圈 的 渗 透 系 数 为 4.610-6cm/S，厚度为 5m，衬砌背后设置盲管 排水系统，隧道控制排水量为 5m3/d.m时，计 算得水压力作用系数αl为 0.69，αg为 0.97； （4）进行注浆堵水和在衬砌背后设置排 水系统对减小衬砌背后的水压力是有作用的， 在高水位富水区修建隧道不进行注浆堵水，隧 道内的排水量会很大，地下水的流失严重，不 仅在施工期有风险，而且在运营期对环保和安 全也不利； （5）仅在衬砌底部设置排水孔，会导致 衬砌背后水压力分布不均匀，对衬砌结构受力 是不利的；若构造上不易解决，结构设计上就 应按不利分布考虑，也可以考虑在衬砌背后设 置盲管，使衬砌上水压力的分布尽量均匀。 参考文献 [1] 仇文革. 高水位富水区地下水水压 围岩注浆加固圈与衬砌共同作用机理研究报 告．西南交通大学．2004，12 [2] 高新强，仇文革. 隧道衬砌外水压 力计算方法研究现状与进展．铁道标准设 计．2004，1284-87 [3] 张俊儒，仇文革．深埋高水位山岭 隧道作用于衬砌外表面的水压力计算方法．现 代隧道技术．2004，612-15 [4] 张有天．水工隧洞及压力管道外水 压力修正系数．水力发电．1996，1230-35 [5] 王建宇．再谈隧道衬砌水压力．现 代隧道技术．2003，65-10 [6] 铁道第二勘察设计院．圆梁山深埋 特长隧道工程地质勘测报. 铁道第二勘察设计 院．2000 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 E-04E-05E-06E-07 注浆圈渗透系数Kg/4.6cm/S 水压力作用系数α 衬砌背后A 衬砌背后B 衬砌背后C 注浆圈外表面A 注浆圈外表面B 注浆圈外表面C 0 25 50 75 100 125 150 E-04E-05E-06E-07 注浆圈渗透系数Kg/4.6cm/S 隧道内排水量Q0/m3/d.m A B C