高水压公路隧道结构水压力与稳定性研究.pdf

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1、罟基础与结构工程Foundation&StructureEngineenng高水压公路隧道结构水压力与稳定性研究郝鹏(中铁城建集团北京工程有限公司，北京100024)摘要：富水区山岭隧道支护体系渗流场一直是学术界和工程界关注的焦点。以在建毕节一都格高速公路鸡公山隧道为依托，研究围岩、支护体系渗流场分布和二次衬砌受力特征。研究结果表明：初期支护背后孔隙水压力峰值出现在仰拱处，孔隙水压力最小值出现在盲管附近；随着盲管间距逐渐增大，二次衬砌水压降低效果减弱，盲管间距不宜大于10m；水压作用下，隧道主体结构受力最不利位置为墙脚和仰拱；对于高水压隧道，应施加墙脚

2、箍筋。避免墙脚压溃破坏，水压特别大时建议采用高位排水进行降压释能，提高隧道支护体系稳定性。该研究成果可为今后类似的富水区公路隧道的建设提供参考和借鉴。关键词：隧道；富水区；支护体系；渗流场；受力特征中图分类号：U451．4文献标识码：B文章编号：1009—7767(2016)04-0156-03OnStructureWaterPressureandStabilitywithPressurizedHighwayTunnelHaoPeng1概述随着我国综合国力的提升和市政工程技术的进步．一大批现代化国家级市政基础设施不断新建，深埋长大公路隧道随之大量涌现，

3、如遇到地下水丰富的地层．便会带来一系列的水压力问题11I。在隧道开挖过程中，地下水是影响围岩稳定性最常见、最棘手的问题之一，如果处置不当，极易引起隧道塌方，给国家经济建设和社会稳定带来不利影响【2j。谭忠盛等【s1采用模型试验，研究无纺布改善衬砌背后水压力以及结构应力的作用效果。刘福胜等141推导了地下水渗流分布解析公式，分析影响围岩渗流场的主要因素。李术才等【5I研制了一种流固耦合相似模型材料，并应用于青岛胶州湾海底隧道富水段的渗流试验。史磊磊掣6】依托北京地铁14号线穿越朝阳公园湖工程，总结了富水地层盾构隧道施工的风险，在此基础上提出支护要点。He

4、mqvist等[71依据掌子面钻孔涌水量，提出是否应该注浆加固的判断标准。何本国等【8】采用结构力学加载的方法，模拟水压等效作用，成功解决了模型土遇水崩解问题，得到高水压大断面隧道受力特征。刘立鹏等【，1推导了复合式衬砌结构支护体系与衬砌外水压力的关系解析公式，提出不同类型衬156辛荭投术2016No．4(Jul．)V01．34砌外水压力折减系数取值方法。目前。国内外针对隧道支护结构水压力的研究较少，既有研究成果不能满足工程需要，规范也没有给出富水区公路隧道主体结构受力特征。因此。采用三维流固耦合数值力学模型，研究富水区隧道支护体系渗流场、主体结构受力

5、特征，以期更好地指导高水压隧道支护结构设计。2三维计算模型贵州省毕节一都格高速公路鸡公山隧道位于纳雍县龙场镇与勺窝乡交接地段．进El位于龙场镇高炉寨附近．出口位于勺窝乡。场区地下水类型为基岩裂隙水和岩溶水。基岩裂隙水赋存于砂泥岩层中，主要为风化带富水。隧道现场发生涌水，如图1所示。计算时取隧道轴线方向为y轴，水平面内垂直隧道轴线方向为X轴，竖直向上为Z轴。计算范围：_70m≤X≤70m，-60m≤Z≤60m，Y向的长度因环向盲管间距的不同而异。建立的三维流固耦合有限差分模型如图2所示。假定地层为各向同性、均匀等效的连续介质。按盲管的环向间距分别为3、5

6、、10、15、20m设置5种工况，盲管的管径均设置为100mm。图1隧道掌子面现场涌水图a)整体㈣格b)jt：挖局部网格图2三维计算模型3支护结构渗流场分布3．1初期支护背后孔隙水压力不同盲管间距条件下的初期支护背后孔隙水压力云图分布规律类似，限于篇幅．这里只给出间距为5In时的初期支护背后孔隙水压力分布情况，如图3所示。盲管间距为20In时。初期支护背后关键位置孔隙水压力曲线如图4所示。皋I3商管间距为5m时初期支护背后孔隙水压力(Pa)割4初期支护关键位鼹孔隙水压力曲线基础与结构工程器Foundation&StructureEngineedng由图

7、3和图4可以看出．仰拱处孔隙水压力曲线呈现为一条直线，因为在仰拱处没有盲管穿过，无法排水；拱顶处孔隙水压力越靠近盲管处越低，说明二衬背后的盲管有利于初期支护的排水：孔隙水压力最大值发生在仰拱处，最小值发生在初期支护内部靠近盲管位置附近。初期支护拱顶水压力分布情况如图5所示。图5彘U期支护拱顶水雎力沿纵向分粕情况由图5可以看出，随着盲管间距逐渐增大。初期支护背后孔隙水压力在盲管处减小的效果越来越差。这是由于初期支护渗透系数较小，水在其中流动速度比较慢，所以盲管对初期支护的排水作用具有一定的范围性。当盲管间距非常小时，初期支护完全处于盲管排水范围；当盲管间

8、距达到一定的数值时(如lOm以上)，初期支护一部分处于盲管排水范围，支护背后水压将呈现局部减小