对隧道衬砌水压力荷载的讨论

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1、现代隧道技术2006年增刊(67—73)对隧道衬砌水压力荷载的讨论王建宇(中铁西南科学研究院有限公司，成都610031)摘要文章从地下水的渗流作用出发对作用于睫道村砌的水压力荷载的计算进行了讨论。着重指出：①在采用全封堵防水衬砌的情况下，无论围岩的渗透系数刍小，都必须考虑同地下水位相应的水压力荷载。②只有遄。水的村砌(或设置排导系统)才能考虑水压力折减系数。水压力折减系数的量值主要取决于衬砌渗透系数同地层渗透系数之比。③对于高水头的深埋隧道，为避免量值较大的水压力，应设置排导系统，不宜采用全封堵衬砌结构．要采用围岩注浆来控制地下水的排放流量。关键词

2、隧道村砌水压力荷载1问题的提出隧道工程中地下水的处治历来有二种方式：(1)全封堵方式修建在土层中用盾构法施工的市政(地铁)隧道通过衬砌管片接头处的密封装置，将地下水完全封堵在衬砌背后。在这种情况下，对于透水地层，衬砌结构要承受与地下水位相应的水压力。(2)排导方式用矿山法修建的山岭隧道通常的做法是通过设置在衬砌背后的透水垫层、盲沟或排水管等将围岩中的地下水引到设置在衬砌墙脚的出水口排出。由于采用了这种“开放式”的地下水处治方式，铁路隧道设计规范和公路隧道设计规范在确定衬砌结构荷载时均不考虑水压力。现在的问题是：(1)随着新型支护技术的发展和“新奥法

3、”原理的引人，原本主要用于修建山岭隧道的矿山法已在通常处于软弱围岩(包括土层)和浅理条件的市政(地铁)隧道修建中广泛应用，成为盾构法和明挖法的一个重要补充。不过，与山岭隧道的情况不同，从防止地表不均匀沉降和生态环境保护出发，运用“浅理矿山法”修建市政(地铁)隧道时也必须像盾构隧道那样采用全封堵的“全包方案”，即在衬砌背后沿全环设置橡胶或聚合物防水板而不再设置渗水垫层、肓沟或排水管等排导系统。在这种情况下，理应如同设计盾构隧道那样考虑与地下水位相应的水压力。但是，习惯于山岭隧道设计的工程师们对有时竟会基于这样或那样的考量，甚至会“不经意”地袭用铁路隧

4、道设计的做法将水压力”忽略”掉。这样做的严重后果已在某些工程中显现。(2)即便是在山岭隧道工程中，地下水的排放对地表生态环境造成负面影响也已屡见不鲜(例如大瑶山9号断层、中梁山隧道等)。从可持续发展(SustainableDevelopment)战略出发，对地下水资源的保护的要求越来越严格。人们痛感“以排为主”的地下水处治原则必须改变。为此常常采用地层注浆，降低围岩的渗透系数。在这种情况下，如何计算水压力?(3)近年来，我国修建的水下隧道越来越多。水下隧道衬砌水压力具有特殊性。从降低运营期间排水能耗和简化隧道维修(防止排导系统堵塞)角度考虑，希望采

5、用“不排水”的全封堵结构。此时，衬砌水压力的考虑当然是十分重要的。此外．由于水下隧道具有相对稳定的地下水水头，即使是采用排导方式，也不能完全不考虑水压力。(4)工程实例已经表明，对水工隧洞设计规范中的水压力折减系数的不正确地理解和袭用会引起在地下水处治问题上的失误。2矿山法隧道的3个工程实例(1)某地铁区间隧道‘1’·67·现代隧道技术2006年增刊隧道位于微风化及中风化岩层，Ⅳ类围岩，地下水位在地表以下1．0—3．0m，隧道上覆地层厚度为7．64一17．64m。地下水位高度约6．0m。从城市环境保护出发，该隧道在衬砌背后沿全环设置“全包”防水结构

6、，不设排导系统。而在衬砌设计时则沿用了山岭隧道的习惯作法未考虑水压力。衬砌为C20素混凝土，厚度为30em。隧道建(a)弯矩图表I受水压村砌内力分析成后发现在底部产生了贯通的纵向裂缝。与盾构隧道圆形横断面的情况不同，水压力对马蹄形隧道会产生明显的不利影响，即使隧道埋置浅，地下水头较低，这种影响仍然是很大的。取全水头作为衬砌荷载，内力计算结果示于图1及表1。计算表明，在水压力的作用下，隧道底部的开裂是理所当然的。图1受水压衬砌内力内力弯矩／kN·m拉应力／MPa压应力／MPa隧底中部84．724．57．3墙角76．105．17．8本工程之所以未计算水

7、压力，据说是设计者考虑到本隧道围岩渗透系数小，渗透性差，加之地下水水头本来就不高．传到衬砌背后的地下水压力经“折减”后可以“忽略不计”，并认为水工隧洞设计规范中的“外水压力折减系数”表(见本文表2)可作为依据。工程实践已经无情地证明了这种做法的失误。但是，问题在那里?值得讨论。(2)渝怀铁路歌乐山隧道(图2)本隧道围岩地下水发育，开挖后出现涌水现象，最高水压2．2MPa。经地层注浆及施作初期支护(锚喷支护)后，壁面上仅有渗水及局部滴水。曾经认为：围岩中存在厚度为6．0m“注浆加固圈”可以“分担”水压力，按水工隧洞设计规范“外水压力折减系数”表中的折

8、减系数，将水压力折减为1．0MPa，采用d=80cnl钢筋混凝土，并且打算不再设置排导系统，作成“全封堵”衬砌。幸运的是，