考虑海底隧道断面折减系数变化的衬砌水压力计算方法与流程

本发明属于隧道与地下工程设计与施工，特别涉及一种考虑海底隧道断面折减系数变化的衬砌水压力计算方法。

背景技术：

1、近年来，随着我国现代化建设的加快，越来越多富水山岭隧道以及海底隧道投入使用，这类隧道通常由于较大的埋深而面临高地应力的挑战，而源源不断的水源补给也使得衬砌外水压力的取值成为隧道支护设计中的一大难题。最早由《水工隧洞设计规范》引入折减系数来考虑衬砌外水压力，然而折减系数的取值仍以经验为主，缺乏定量参考。随着渗流场和应力场耦合研究的深入，将处于承压含水层中有充足水源补给的隧道简化为无限含水层中的竖井稳定流模型，从而利用渗流理论即可得到衬砌外水压力的解析解答，并由此得到目前关于衬砌水压的普遍认识，即衬砌水压折减仅与衬砌的相对排水量有关。

2、但排水量的计算，涉及围岩、注浆圈以及衬砌的渗透系数，前两者的渗透系数通常在设计阶段便于确定，但衬砌通常不允许渗水，衬砌的排水则是由其背后环、纵向排水盲管等组成的排导系统将围岩渗水导入排水沟来完成，因此，需将排导系统的流量等效为衬砌的渗透系数，目前尚未有明确合理的方式。实际计算中，常以隧道设计排水量予以代替。但由此计算出的衬砌水压仍是理想化模型下的均布水压，无法反映由排导系统影响下的隧道断面衬砌水压的变化。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的海底隧道衬砌水压的渗流计算无法反映隧道断面衬砌水压变化的现状的技术问题，提供一种考虑海底隧道断面折减系数变化的衬砌水压力计算方法，将隧道断面划分为若干分区，分别计算各分区的相对排水量，从而得到不同的水压力折减系数，继而计算各分区的衬砌水压力，指导衬砌结构的设计。

2、衬砌背后的围岩渗水经由环向排水盲管汇集到底部纵向排水盲管，再由排水盲沟排出洞外。环、纵向排水盲管的排水能力一定，均可由设计排水量选定的盲管规格确定，假定环向排水盲管、纵向排水盲管的设计排水量分别为q1、q2。根据渗流理论中无限含水层中的竖井稳定流模型假定，隧道初支为均匀渗水，假定隧道初支涌水量为qin。因此，拱顶分区的衬砌涌、排水量即为该分区的计算涌水量和环向排水盲管的设计排水量q1。但由于限量排水的能力限制，在拱顶下方分区，衬砌背后的进水量除初支涌水量外，还有上方分区未能及时排出的涌水量，由此造成各分区自上而下的进水量累积。而在拱脚位置处，由于纵向排水盲管的存在，隧道涌水由此排出，衬砌水压得以释放，从而造成衬砌水压沿隧道断面的不均匀分布。

3、鉴于此，本发明采用的技术方案是：考虑海底隧道断面折减系数变化的衬砌水压力计算方法，包括以下步骤：

4、步骤1：将海底隧道简化为无限含水层中的竖井的稳定流模型，通过实测或查阅获取隧道地质及施工参数，包括初始水头高度h、围岩渗透系数kr、注浆圈渗透系数kg、初支渗透系数kl，以及注浆圈半径rg、远场距离r0、初支内部半径r1、初支外部半径r2；

5、步骤2：计算隧道的初支涌水量qin，

6、

7、步骤3：查阅资料获取隧道的环向排水盲管的设计排水量q1、纵向排水盲管的设计排水量q2；

8、步骤4：将所述海底隧道的洞室自上而下对称均匀划分为m个分区；

9、步骤5：根据初支涌水量qin、环向排水盲管的设计排水量q1和纵向排水盲管的设计排水量q2计算每个分区的水压力折减系数βm；

10、步骤6：计算每个分区的衬砌水压力pm＝βmγwh，其中，γw为水的重度。从而由此可指导进行衬砌结构的设计。

11、进一步的，每个分区的初支涌水量qin通过监控量测实际分区的涌水量得到，替代步骤2中的计算结果。此时，根据步骤1、步骤2及简化模型并通过理论计算的初支涌水量作为参考。

12、进一步的，步骤5中，对于纵向排水盲管以上的分区，排水量均由环向排水盲管的设计排水量q1决定，而进水量除初支涌水量外，还有来自上一分区的进、排水量之差，水压力折减系数

13、对于包含所述纵向排水盲管的分区，其排水量由横向排水盲管、纵向排水盲管共同决定，水压力折减系数

14、对于所述纵向排水盲管下方的分区，排水量仍由环向排水盲管的设计排水量q决定，水压力折减系数为

15、进一步的，步骤5中，若某个分区的水压力折减系数βm<1，即隧道排水量大于涌水量，则不考虑该分区的衬砌水压力。

16、进一步的，步骤4中，所述分区的数量不小于3个，且划分分区时应考虑洞室典型部位，如拱顶、拱肩、拱腰、拱脚、拱底等。

17、进一步的，水压力折减系数计算公式的收敛性，步骤4中，所述分区的数量不大于10个。

18、与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：本发明基于渗流理论的衬砌水压力计算方法，考虑隧道排水系统的特点进行衬砌水压力的折减计算，符合实际隧道断面水压力自上而下的变化特征，因此该计算方法合理、计算结果可靠。本发明中各步骤物理意义明确，简单易用，层次分明，构思新颖。

技术特征：

1.考虑海底隧道断面折减系数变化的衬砌水压力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的考虑海底隧道断面折减系数变化的衬砌水压力计算方法，其特征在于，每个分区的初支涌水量qin通过监控量测实际分区的涌水量得到，替代步骤2中的计算结果。

3.如权利要求1或2所述的考虑海底隧道断面折减系数变化的衬砌水压力计算方法，其特征在于，步骤5中，

4.如权利要求3所述的考虑海底隧道断面折减系数变化的衬砌水压力计算方法，其特征在于，若某个分区的水压力折减系数βm<1，则不考虑该分区的衬砌水压力。

5.如权利要求1或2所述的考虑海底隧道断面折减系数变化的衬砌水压力计算方法，其特征在于，步骤4中，所述分区的数量不小于3个，且划分分区时应考虑洞室典型部位。

6.如权利要求1或2所述的考虑海底隧道断面折减系数变化的衬砌水压力计算方法，其特征在于，步骤4中，所述分区的数量不大于10个。

技术总结
本发明提供了考虑海底隧道断面折减系数变化的衬砌水压力计算方法，属于隧道与地下工程设计与施工技术领域，包括以下步骤：步骤1：将海底隧道简化为无限含水层中的竖井的稳定流模型，获取隧道地质及施工参数；步骤2：计算隧道的初支涌水量；步骤3：获取隧道的环向排水盲管的设计排水量、纵向排水盲管的设计排水量；步骤4：将所述海底隧道的洞室自上而下对称均匀划分为m个分区；步骤5：计算每个分区的水压力折减系数；步骤6：计算每个分区的衬砌水压力。本发明将隧道断面划分为若干分区，分别计算各分区的相对排水量，从而得到不同的水压力折减系数，继而计算各分区的衬砌水压力，指导衬砌结构的设计。

技术研发人员：宋超业,叶东明,罗小平,李勇,贺维国,宋毅,张美琴,吕书清,王星,于勇,陈功祥
受保护的技术使用者：中铁第六勘察设计院集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15