不同防排水模式对富水隧道衬砌的影响

2021-02-24孙亚朋

建材发展导向 2021年1期

孙亚朋

（中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁沈阳 110136）

在我国，针对不同防排水模式对富水隧道衬砌的影响研究中，普遍停留在理论层面，创新程度低，在实际应用中无法达到预期的效果，证明研究仍然存在很大程度上的局限性［1］。针对富水隧道衬砌的相关问题研究中，由于不同防排水模式影响富水隧道衬砌施工安全的问题屡见不鲜，常见的包括：导致富水隧道衬砌出现地基不稳的情况，进而导致富水隧道衬砌施工的安全性受到威胁。在针对此问题的研究中，大量文献表明研究不同防排水模式对富水隧道衬砌的影响是确保富水隧道衬砌施工质量的先决条件。基于此，本文提出不同防排水模式对富水隧道衬砌的影响研究，致力于为富水隧道衬砌方面的设计提供新思路。本课题最终的研究目的在于通过研究不同防排水模式对富水隧道衬砌的影响，明确富水隧道衬砌最适宜采用的防排水模式。

1 不同防排水模式对富水隧道衬砌的影响

在本文进行的不同防排水模式对富水隧道衬砌的影响研究中，通过在富水隧道衬砌施工区域设置监测点的方式进行研究。本文设定富水隧道衬砌施工区域监测点的主要位置包括：富水隧道拱顶、拱腰、边墙、拱脚以及仰拱五个监测点，并结合数值模拟方法主要针对不同防排水模式对富水隧道衬砌的两点主要影响进行分析。具体研究内容，如下文所述。

1.1 改变富水隧道衬砌注浆圈渗透系数

在分析不同防排水模式对富水隧道衬砌注浆圈渗透系数的具体影响中，必须预先明确不同防排水模式与富水隧道衬砌注浆圈渗透系数之间的相关性。在本次研究中，为保证研究结果的有效性，只采用不同防排水模式作为研究的自变量，不设置任何排水设施。在不同防排水模式对富水隧道衬砌注浆圈渗透系数的影响中，最关键的影响在于不同防排水模式对注浆圈厚度带来的影响，能够直接改变富水隧道衬砌注浆圈渗透系数，是引发富水隧道衬砌地下水渗透的主要诱因［2］。本文通过计算不同防排水模式下富水隧道衬砌注浆圈的厚度，进而确定不同防排水模式对富水隧道衬砌注浆圈渗透系数的具体影响。本文采用塑性模型组的摩尔-库伦模型模拟，假定流体在岩体中的流动服从Darcvy定律，用注浆圈的厚度描述富水隧道衬砌注浆圈渗透系数；再用渗透系数描述富水隧道衬砌围岩的渗透性能。首先，计算富水隧道衬砌注浆圈的厚度。设不同防排水模式下富水隧道衬砌注浆圈的厚度为S，则其计算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中：H指的是不同防排水模式下，富水隧道衬砌施作后涌水量；k指的是不同防排水模式下，富水隧道衬砌内的水力势；r指的是不同防排水模式下，富水隧道衬砌内的渗流力；g指的是富水隧道衬砌外径；l指的是富水隧道取衬砌内径；c指的是采用的防排水模式。结合公式（1）计算结果，可得出不同防排水模式下富水隧道衬砌注浆圈的厚度。在此基础上，计算不同防排水模式下富水隧道衬砌注浆圈渗透系数。设富水隧道衬砌注浆圈渗透系数为P，则其计算公式，如公式（2）所示。

在公式（2）中：γ指的是不同防排水模式对富水隧道衬砌围岩渗透系数；Q指的是富水隧道衬砌注浆圈弹性模量；R指的是富水隧道衬砌注浆圈的泊松比。通过公式（2），得出富水隧道衬砌注浆圈渗透系数，明确不同防排水模式作为影响富水隧道衬砌注浆圈渗透系数的主要自变量。根据上文计算出的不同防排水模式下富水隧道衬砌注浆圈渗透系数，可以发现在其他参数一定的情况下，根据c的具体数值与P数值之间的变化关系，即可分析出不同防排水模式对富水隧道衬砌注浆圈渗透系数的具体影响程度。采用P的数值不超过0.5时的防排水模式用于富水隧道衬砌，保证富水隧道衬砌安全性。

1.2 影响富水隧道衬砌水压力

本文通过计算不同防排水模式下富水隧道衬砌的水压力，分析不同防排水模式对富水隧道衬砌水压力的影响。设不同防排水模式下富水隧道衬砌的水压力为M，则其计算公式，如公式（3）所示。

在公式（3）中：σ指的是任意监测点的水头高度，单位为cm；v指的是注浆圈外表面和衬砌背后水压力作用系数；t指的是注浆圈外表面和衬砌背后水压力数值模拟计算值。结合公式（3）计算结果，统计不同防排水模式下富水隧道衬砌的水压力及定变量［3］。得出结论为：水压力作用系数不同于水压力折减系数，不同防排水模式下水压力作用系数可用于描述隧道衬砌水压力的实际值与理论静水压力之间的差距。与此同时，结合具体的富水隧道衬砌施工经验，致力于将M的取值最小化。富水隧道衬砌水压力数值越大证明该防排水模式下对于富水隧道衬砌造成的水压力影响也就越大，发生富水隧道衬砌地下水渗透的几率也就越高。因此，一方面，在富水隧道衬砌的过程中，由于不同防排水模式导致富水隧道所受的支撑力改变，富水隧道中间部位产生向下的弯曲变形，上覆土体受到拉张，水压力减小，富水隧道端部向上翘曲，上覆土体受到挤压，富水隧道两端顶部土压力增大；另一方面，在富水隧道衬砌的过程中，由于不同防排水模式导致富水隧道上部的土体形成拱，在加上富水隧道的刚度影响，改变了透水层的厚度，富水隧道变形滞后于流体在岩体中的流动速度，富水隧道底部会产生一定程度的脱空，水压力降低。与此同时，将富水隧道周围水压力的自重转移到了两侧土体中，致使富水隧道边缘的水压力均增大。由于富水隧道衬砌水压力需要一定的时间积累，因此在富水隧道衬砌施工过程中，可使用有限单元递增法，计算每一段假定时间内的富水隧道衬砌水压力，记录当下产生的涌水量以及相同时间段下的排水量。探索不同防排水模式下富水隧道衬砌施工产生的涌水量以及相同时间段下的排水量，保证涌水量必须小于排水量，将富水隧道衬砌水压力控制在允许范围内。