（岩土工程专业论文）岩溶隧道围岩渗流场分布和衬砌水压力特征研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：随着我国西部大开发战略的实施，以及交通事业的高速发展，在岩溶地区 修建隧道将是不可避免的。近年来，因隧道施工造成的岩溶涌水、突泥，给隧道 施工及运营带来危害的工程问题比比皆是。因此，岩溶涌水地质灾害已成为岩溶 区隧道设计和施工中需要重点考虑的问题。在进行岩溶隧道支护结构设计时，合 理确定作用在衬砌上的水压力是结构设计的关键。然而对于“堵水限排”下岩溶 隧道围岩渗流场的分布规律，目前却没有系统的研究。本文以宜万铁路岩溶隧道 为工程背景，通过理论分析、数值模拟和模型试验，对岩溶隧道渗流场分布规律、 应力场和渗流场共同作用下衬砌结构的受力特征以及注浆控制要素对渗流场分布 的影响进行了研究，主要研究内容和成果如下： ( 1 ) 分析了应力场和渗流场的相互作用机理，得出隧道裂隙岩体中渗流场和 应力场相互影响方式。运用解析方法对高水压山岭隧道稳定流中的渗流场分布进 行了研究，得到岩溶区特殊地质条件隧道周围渗流场的分布规律。 ( 2 ) 通过对相似理论和模型试验原理的研究，推导了应力场和渗流场共同作 用的耦合场的相似准则。利用隧道及地下工程试验中心研发的水土共同作用模型 试验台架系统，引进光纤光栅应变测试系统，以齐岳山隧道工程为原型，研究了 注浆圈外、衬砌背后水压力在全封堵方式下、限排方式下的水压力分布规律，得 到了注浆圈对水压的折减规律。 ( 3 ) 依靠光纤光栅精确的应变数据采集，得出了衬砌结构在应力场和渗流场 共同作用下的变形特征和应力分布规律。结合相似原理和模型试验的特点，根据 相似准则将模型试验结果还原，计算了原型隧道衬砌结构的应力和内力，并对原 型结构安全性进行评价。 ( 4 ) 采用数值计算方法，借助三维渗流有限元计算软件研究了注浆控制因素 对隧道围岩渗流场分布的影响规律，并研究了不同排水量下隧道衬砌水压力的折 减规律。 关键词：岩溶隧道；应力场；渗流场；模型试验 分类号： 请输入分类号( 1 2 ) ，以分号分隔。】 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec h i n a ss t r a t e g yt od e v e l o pi t sw e s t e r n r e g i o n sa n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft r a f f i cc a u s e ，i ti si n e v i t a b l et ob u i l dt u n n e l si nt h e k a r s ta r e a s i nr e c e n ty e a r s ，l o t so fe n g i n e e r i n gp r o b l e m sc a u s e db yt h ek a r s tw a t e r b u r s t i n ga n db u r s tm u do c c u r r e di nt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，w h i c hb r o u g h th a z a r dt ot u n n e l c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n r a t i o n a ld e t e r m i n a t i o no ft h eh y d r a u l i cp r e s s u r eo nt h el i n e i st h ek e yf a c t o ri ns u p p o r t i n gs t r u c t u r ed e s i g no fk a r s tt u n n e l h o w e v e rt h e r ei sn o s y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h ed i s t r i b u t i o nr u l eo fs e e p a g ef i e l df o rk a r s tt u n n e lb yb l o c k i n g g r o u n dw a t e ra n dl i m i t i n gd i s c h a r g e b a s e do nt h ek a r s tt u n n e l so fy i c h a n g - w a n z h o u r a i l w a y , t h ed i s t r i b u t i o nr u l eo fs e e p a g ef i e l d ，t h es t r e s sc h a r a c t e r i s t i co fl i n i n gs t r u c t u r e u n d e rt h ec o m b i n e da c t i o no fs t r e s sa n ds e e p a g ef i e l da n dt h ee f f e c to fg r o u t i n gc o n t r o l f a c t o r so nt h ed i s t r i b u t i o no fs e e p a g ef i e l dw e r es t u d i e di nt h i st h e s i st h r o u g ht h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm o d e lt e s t t h em a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t so f t h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ei n t e r a c t i o no f t h es t r e s sa n dt h es e e p a g ef i e l dw a sa n a l y z e da n dt h e i rm u t u a l i n f l u e n c ew a yi nt h ec r e v a s s er o c km a s sw a so b t a i n e d u s i n ga n a l y s i sm e t h o dt o r e s e a r c ht h es e e p a g ef i e l dd i s t r i b u t i o nr u l eo ft h es t e a d yf l o wi nt h eh i g hh y d r a u l i c p r e s s u r em o u n t a i nt u n n e lw eg e tt h ed i s t r i b u t i o no fs e e p a g ef i e l di nk a r s ta r e au n d e r s p e c i a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ( 2 ) b ys t u d y i n gt h ep r i n c i p l eo fs i m i l a r i t yt h e o r ya n dm o d e lt e s t ，w ed e r i v e dt h e s i m i l a r i t yc r i t e r i au n d e rc o u p l i n gf i e l do fs t r e s sa n ds t r e s s u s i n gt h em o d e lt e s ts y s t e m d e v e l o p e db yt u n n e la n du n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gt e s tc e n t e r , b r i n g i n gi n f i b e rb r a g g g r a t i n gs t r a i n t e s t i n gs y s t e ma n dt a k i n gq i y u e s h a nt u n n e la sp r o t o t y p e ，w ed or e s e a r c h o nw a t e rp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nl a wo nt h eb a c ko fl i n i n ga n do u to fg r o u t i n gc i r c l eu n d e r t h ew a yo fw h o l ep l u g g i n ga n dl i m i t i n gd i s c h a r g er e s p e c t i v e l y , a n dg e tt h er e d u c t i o n l a wo fw a t e rp r e s s u r ew i t hg r o u t i n gc i r c l e ( 3 ) d e p e n d i n go na c c u r a t es t r a i nd a t ac o l l e c t e db yf i b e rg r a t i n g , w ed r a wac o n c l u s i o no ft h ed e f o r m a t i o nf e a t u r ea n di n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s so fl i n i n gs t r u c t u r e u n d e rt h ec o m b i n e da c t i o no fs t r e s sa n ds e e p a g ef i e l d c o m b i n e dw i t ht h ef e a t u r e so f s i m i l a r i t yp r i n c i p l ea n dm o d e lt e s t ，w ec o n c l u d et h es i m i l a r i t yc r i t e r i ao fr e t u r no f m o d e lt e s td a t a ，c a l c u l a t es t r e s sa n di n t e r n a lf o r c eo fo r i g i n a lt u n n e ll i n i n gs t r u c t u r e ，a n d v a s s e s s m e n to nt h es a f e t yo fp r o t o t y p es t r u c t u r e ( 4 ) b ym e a n so fn u m e r i c a lm e t h o da n dd e p e n d i n go nt h r e e - d i m e n s i o n a ls e e p a g e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，w ed or e s e a r c ho ni n f l u e n c el a wo fs e e p a g ef i e l dd i s t r i b u t i o no f t u n n e ls u r r o u n d i n gr o c kb yg r o u t i n gc o n t r o l l i n gf a c t o r sa n dt h er e d u c t i o nl a wo fl i n i n g w a t e rp r e s s u r eo nd i f f e r e n tw a t e rd i s c h a r g e k e y w o r d s ：k a r s t t u n n e l ；s t r e s sf i e l d ；s e e p a g ef i e l d ；m o d e lt e s t c l a s s n o ：【请输入分类号，以分号分隔。】 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：季劈副影彦、 签字r 期：力羽彦年月多日 导师签名： i 秀莛 签字日期：一彦年月日 北京交通大学硕士学位论独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 绷饭签字日期：沙钐年月r 日 9 5 致谢 本论文的研究工作是在我的导师王秀英副教授、谭忠盛教授的悉心指导和不 断鼓励下完成的。从论文的选题、构思和论文的撰写和定稿，每一个环节都倾注 了王老师和谭老师大量的心血和精力。两位恩师渊博的学识、深邃的科研洞察力、 严谨求实的治学态度、科学的工作方法和废寝忘食的工作热情给了我极大的帮助 和影响。在两年的硕士学习期间，他们教会了我如何去学习、如何去科研、如何 去思考问题和解决问题、如何去面对困难和挫折、如何去为人处事，在此论文完 成之际，谨向两位恩师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢! 衷心感谢隧岩所各位老师一刘维宁老师、贺少辉老师、项彦勇老师、李兆平 老师、黄明利老师等在研究生求学过程中给予的指导。在完成论文相关试验的过 程中，得到了隧岩所陈立宏老师和结构所张华老师的大力支持和中铁十二局齐岳 山隧道项目部席继红、杜永强和齐华亮等的积极配合，在此表示由衷的感谢。 在实验室工作期间，得到了师兄吴金刚、刘恒、张宇川、张鹏、师姐代忠梅 的悉心指导，得到了唐培连、金建伟、周小宾、李云丽的鼎力支持，得到了师弟 柴文书、袁慧、于清浩、程志鹏、严竞雄、倪鲁肃、李健的积极协作，在此向他 们表达我的感激之情。 最后，我要感谢我勤劳朴实的父母和弟弟，是他们用心血和汗水、关心、支 持、鼓励，成就了我的求学之路。 张明德 2 0 0 8 年6 月5 同于红果园 1 引言 1 1 问题的提出及选题依据 我国是一个岩溶分布较广泛的国家，特别是在西南部地区尤为突出。随着我 国西部大开发战略的实施，以及交通事业的高速发展，在岩溶地区修建隧道工程 将是不可避免的。在我国西南和中南地区修建铁路，通过碳酸盐地层的隧道长度 占有很大比例，且每座隧道几乎都遇到不同程度的岩溶危害问题。岩溶对铁路工 程的危害很大，诸如岩溶水的侵袭、溶洞顶板坍塌及大规模地面塌陷等等是铁路 建设中的一个重要工程等地质问题【l 】。岩溶对隧道施工的影响主要是因为岩溶水大 量涌向隧道，容易使隧道产生涌水、突泥；变形、坍塌，造成地表沉陷，地下水 位下降，影响周围环境。近年来，因隧道施工造成的岩溶涌水、突泥，给隧道施 工及运营带来危害的工程问题比比皆是。因此，隧道修建与运营过程中的涌水地 质灾害已成为勘测设计阶段需要重点考虑的问题之一。 在进行高水压隧道支护结构设计时，合理的确定衬砌上作用的水压力是结构 设计的关键，目前国内铁路设计规范和公路隧道设计规范在确定衬砌结构外水荷 载时，从对地下水“以排为主”的原则出发，而不考虑地下水的作用。而有的工 程则干脆参照水工隧道设计规范和经验，根据开挖后地下水渗入情况，采用折减 系数的方法对地下水位进行相应的折减来计算隧道衬砌的外水压。 大量工程经验和研究表明，在隧道防排水设计中采用“以排为主”的设计方 针，将会造成三方面的问题，一是由于“以排为主”的设计方针，在衬砌结构设 计计算中往往不考虑水压力，衬砌设计较薄，尽管初期节约了一定资金，但在运 营中衬砌破裂的事例屡有发生；二是地下水长期由隧道大量排走，地下水位降低， 造成洞项地表失水并发生沉降变形；三是地下水从隧道大量流失，围岩中的地下 水渗流通道( 如岩层节理裂隙或岩溶管道) 中的充填物被水冲走，贯通性愈来愈 好，可能造成隧道洞内流量不断增大，各种病害如衬砌渗漏变形、路面翻浆冒泥、 排水沟淤塞漫流等逐年严重，同时，衬砌背后渗水通道的扩大还会造成衬砌受力 不均匀。由此可见，高水位岩溶隧道在设计中对地下水采取“以排为主”的设计 思想应当改变，但是在高水位地区，如果采取浅埋地铁隧道的全封堵方案，将会 北京交通大学硕+ 学位论文 招致数值很大的水压力，增大隧道结构的施工的难度，并且成本将非常昂贵。因 此，高水位岩溶隧道应根据隧道周围环境的要求，采取“以堵为主，限量排放 即“堵水限排 的防排水设计准则，“堵 是减少流向衬砌背后的总水量即控制流 量，而“排”则是减小作用在衬砌结构上水压力的主要手段，这样既减少了作用在 衬砌背后的水压力，又不致因大量无限制排水对地表环境造成难以弥补的破坏。 然而，对于“堵水限排”下岩溶隧道渗流场的分布规律，目前却没有系统的研究。 对于高水压隧道而言，隧道开挖引起围岩应力场和渗流场的变化，一方面地 下水渗流在岩体中引起的渗流体积力( 动水压力) 将改变岩体中原始存在的应力 状态；另一方面，应力状态的改变，又将影响岩体结构的改变，进而改变岩体的 渗透性能。此外，地下水的存在不仅会减弱岩体的物理力学性能，即岩体强度和 弹性模量的降低，而且静水压力和动水压力也会对岩体产生作用力，其中静水压 力则降低岩土体有效应力，使得地层的承拱作用和稳定性较差，动水压力则产生 渗透体积力。另外，在岩溶发育地段，溶洞、暗河及断层频繁出现，这些特殊地 质条件将改变隧道渗流场的分布规律。因此，在许多情况下，必需考虑孔隙流体 在多孔介质中的流动规律及其对多孔介质本身的变形或者强度造成的影响，即考 虑多孔介质内应力场与渗流场的共同作用【2 训。 在本论文研究过程中，作者有幸参加了铁道部科技研究项目“宜万铁路岩溶 地区隧道灾害防治技术与结构设计研究”及“宜万铁路齐岳山隧道衬砌水压力特 征研究 。论文以此为依托，以“岩溶隧道围岩渗流场和衬砌水压力特征的研究” 为题，研究岩溶隧道在堵水限排条件下围岩的渗流场分布及衬砌水压力特征。 1 2 课题所依托的工程背景 正在建设的宜万铁路线是国家重点项目，铁路大动脉八纵八横之一。宜万线 东起鸦宜线花艳站，西至达万线万州站，线路全长约3 8 6 k m ，共有隧道1 1 5 座， 总长2 1 3 8 k m ，约占线路总长的5 6 6 ，其中3 k m l r l o k m 的特长隧道3 座共计3 5 9 k m ，沿线碳酸盐岩广泛分布， 约占全线的7 0 ，岩溶洞穴发育，岩溶水丰富，隧道的工程地质、水文地质条件 极其复杂。在2 0 座长、特长隧道中，有1 7 座隧道位于碳酸盐岩地层中( 全部或 部分) ，其中3 座特长隧道均穿越碳酸盐岩地层。最长的野三关隧道长1 3 7 9 2 k m ， 2 引言 全线约7 0 的隧道位于灰岩地区，岩溶十分发育。宜万线沿长江走行，周边人口 压力大，岩溶水是重要的生活生产用水，如果隧道在施工和运营中大量排水，则 可能造成岩溶泉枯竭，暗河断流，严重破坏水资源，甚至造成岩溶地区“石漠化” 问题，其后果将不堪设想【5 川。该区岩溶发育具有下列特征：岩溶发育强烈，管道、 溶洞、溶隙极发育，岩溶发育不均一，垂向上岩溶发育分带性明显，且隧道断裂 破碎带发育。部分隧道位于岩溶水的垂直循环带和水平带内，岩溶构造十分复杂， 补给水源丰富，给设计和施工带来极大的困难【8 1 。 、 芬 图l l 宜万铁路走向不恿图 宜万铁路典型岩溶隧道齐岳山隧道地处湖北省利川市西偏北2 3 k m 处，东起野 茶乡乐园沟，向北西垂直穿越齐岳山及荆竹园等台地，在百丈沟下真咀出口。隧 道全长1 0 5 2 8 m ，工程地质和水文地质极其复杂，主要地质构造为齐岳山背斜，隧 道穿越二、三叠系灰岩地层，全部位于可溶岩地段。该区域发育有大、小鱼泉及 得胜场三条暗河，隧道穿越9 条较大断层。预测隧道正常涌水量约为18 万r n 3 d ， 最大涌水量约为7 4 万m 3 d e 9 砌】。主要地质灾害问题为岩溶、突泥、涌水、瓦斯及 天然气。围岩级别变化频繁，断面形式较多，施工难度极大，不可预见因素较多。 图l 一2 所示为齐岳山隧道施工中的岩溶涌水、突泥现象。 北京交通人学硕十学位论文 澜 札j 鹣 ( a ) 岩溶涌水( b ) 突泥 图l 一2 齐岳山隧道施工中的岩溶涌水、突泥现象 1 3 国内外研究现状 1 3 1 理论研究 1 3 1 1 外水压力计算方法 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，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。目前，隧道衬砌外水压力的计算方法可以归结为4 种方法【1 1 彩】。 ( 1 ) 在浅埋矿山法修建的山岭隧道中，对地下水处理采用“以排为主”的条 件下，铁路隧道设计规范不考虑衬砌承受水压力；但有研究表明，在衬砌背后设 置透水垫层排放地下水的情况下，衬砌仍然要承受一定的水压力。在城市地铁隧 道不允许地下水排放时或采用全封堵防水，衬砌上水压力采用该处的静水压力( 即 该处的静水头) 。 ( 2 ) 水头较高的山岭隧道，为了保护隧道周边的地下水资源和环境的要求， 不能采取“以排为主”的条件下，采取“以堵为主，限量排放”的原则时，给隧 道工程界对隧道水压力的计算提出了新的问题，以往隧道衬砌所受的水压力没有 给予足够的重视，因此，这方面的研究资料较缺乏，可以说没有规范、公认的方 4 引言 法和规律可循；在水利水电工程上，早些时候就对水压力进行了较多的研究，并 制订了相应的设计规范，因此铁路隧道在遇到高水压的时候，多借鉴水工隧道计 算水压力的方法水压力折减系数法【1 5 - 1 6 1 。 ( 3 ) 铁路、公路隧道工程由于隧道防排水系统的设置与水利、水电工程上的 隧洞还是存在着很多的差别，只是运用折减系数法明显存在着不足，因此随着近 年来高水位富水区铁路隧道的修建，对这方面的研究工作也开始展开，采用的研 究方法也不尽相同，但大体上是从折减系数法，逐渐按均质围岩假定，按照达西 渗流定律，对隧道围岩渗流场进行分析，来确定衬砌上的外水压力。文献 1 4 3 0 j 在假 定衬砌背后不排水、衬砌排水，推导了注浆圈内和衬砌结构上承受的孔隙水压力 的理论解析公式。 ( 4 ) 隧道衬砌水压力的大小与隧道围岩介质、围岩渗透性、地下水的水头有 关，也与隧道围岩内的应力状态有关，这就是渗流场与围岩应力场耦合作用的问 题【3 1 1 ，从理论上来讲考虑耦合作用是比较精确和合理的一种方法，渗流场与围岩 应力场耦合作用研究的成果主要是对坝基工程较多，多用于对涌水量的研究，但 针对隧道工程的排水和结构特点对衬砌上作用水压力研究的还是很少，因此进行 这方面的研究需要进行较多的模型试验和现场测试【3 2 。3 3 】。 1 3 1 2 折减系数法 水压力折减系数法在水工隧洞中应用较早，并且设计规范中已经明确了外水 压力的计算方法。水工隧洞设计规范d l t 5 1 9 5 2 0 0 4 ) ) 规定：地下水压力实际上 是在渗流过程中渗透水作用在围岩和衬砌中的体积力，有条件时可通过渗流分析 决定相应的水荷载。对于一般水文地质条件较简单的隧洞，可采用地下水位线以 下的水柱高度乘以相应的折减系数的方法，估算作用在衬砌外缘的地下水压力， 折减系数按表1 1 采用。对于无压隧洞，应考虑设置排水的办法，减小地下水压力。 对于地质条件、水文地质条件复杂的隧洞，应进行专门的研究3 4 1 。 夕值原则上是按衬砌与围岩相对渗透性而拟定的。众所周知，水工隧洞混凝 土衬砌是在围岩面上直接浇注而形成的，受到岩石的约束，混凝上衬砌均会出现 裂缝。表中值就是按混凝土衬砌出现裂缝的条件下规定的。如果衬砌完全不透 水，如钢衬，则显然有夕= 1 。 5 北京交通大学硕士学位论文 表1 1 外水压力折减系数 级别名称地下水活动状态地下水对嗣岩稳定的影响 建议的1 3 值 1 ( 无) 洞壁干燥或潮湿无影响无影响 0 风化结构面充填物质，降低结构面 2 ( 微弱)沿结构面有渗水或滴水0 o 4 抗剪强度，对软弱岩体有软化作用 沿裂隙或软弱结构面有大 泥化软弱结构面充填物质，降低抗 3 ( 显著)o 2 5 0 6 量滴水、线状流水或喷水剪强度，对中硬岩体有软化作用 冲刷结构面中充填物质，加速岩体 严重股状流水沿软弱结构 风化对断层等软弱带软化泥化，并 4 ( 强烈)0 4 0 8 面有小量涌水使其膨胀崩解以及产生机械管涌， 有渗透压力，能鼓开较薄的软弱层 严重滴水或流水，断层等软 冲刷携带结构面充填物质，分离岩 5 ( 剧烈) 体，有渗透压力，能鼓开一定厚度 0 6 5 - - - 1 0 弱带有大量涌水 的断层等软弱带，能导致围岩塌方 铁路、公路及地下铁道等隧道，在混凝土与衬砌之间常有一层p v c 防水板和 透水垫层，大大减小了岩石对衬砌的约束作用，混凝上衬砌较少出现裂缝。对少 裂隙衬砌，夕值显然应选得大一些【1 5 1 。但是还有一点值得注意，公路、铁路隧道 在防水板和衬砌之间通常设计有盲沟和透水垫层防排水系统，从这点来讲夕值就 应选得小一些，因此铁路或公路隧道应用折减系数法计算外水压力时，值的选 取还值得研究。文献【1 4 】就指出：“这涉及到如何结合铁路或公路隧道实际来理解 水工隧洞设计规范，值得讨论一下。” 同时，我们要借鉴水工隧洞计算外水压力的方法来计算公路或铁路隧道衬砌 的外水压力，要弄清楚表1 1 中“地下水的活动状态”指的是毛洞开挖后地下水沿 毛洞壁面的状态，若有注浆圈和喷混凝土层应是喷混凝土之后的壁面地下水活动 状态。 在折减系数的基础上文献 1 6 】改进了这种方法，使得该方法更加合理，并且可 以为其它类似工程选择系数提供了较明确的参考，这就是外水压力修正系数法，把 折减系数修正为三个修正系数，此时衬砌外水压力可用式( 1 1 ) 计算： p 够i 伤卢鼎 ( 1 - 1 ) 6 引言 式中，卜作用在衬砌上的外水压力； 声l 初始渗流场水压力修正系数； 皮衬砌与围岩渗透相对关系修正系数：折减系数法中折减系数 即仍； 份防渗排水措施对衬砌外水压力影响修正系数； p o 一计算点处由地下水位产生的静水压力。 文献【3 5 】也用相同的思路，论述了水头折减系数的综合指标法。该方法认为水 头折减系数为一综合性指标，它包括外水压力传递过程受阻的水头损失系数l ， 考虑水压作用面积减少的面积系数统，和反映排水卸压情况的系数历。 邓l 屁f 7 3 ( 1 - 2 ) 国内隧道或水工隧洞一般先查明地下洞室地区的地下水位，乘以折减系数对 水头进行折减，然后根据折减后的水头计算外水压力。折减系数的取值可以采用 经验类比法【3 6 1 。 ( 1 ) 根据水文地质情况选取折减系数 该方法主要是根据地质结构、岩溶发育程度及岩体透水性等因素选择折减系 数。可以按表1 2 取值： 表1 2 按岩体岩溶发育程度确定的折减系数经验值 岩溶发育程度弱岩溶发育区中等岩溶发育区强岩溶发育区 p o 1 0 3o 4 0 50 5 1 0 ( 2 ) 天生桥二级电站经验法 在天生桥二级电站采用了如下的经验方法，见表1 3 。 表1 3 天生桥二级电站折减系数经验值 隧道岩体水文地滴水、脉状涌水管道涌水及大量 质条件 潮湿渗水洞段渗水滴水洞段 洞段涌水洞段 1 3 0 1 0 30 4 - - 0 5o 5 d 80 8 1 0 ( 3 ) 按围岩的渗透系数和混凝土衬砌渗透系数的比值确定折减系数 该方法是根据原东北设计院及有关单位的成果，根据岩体渗透系数墨和衬砌 渗透系数k ，比值大致给出外水压力折减系数，见表1 4 。 7 北京交通人学硕士学位论文 表1 4 按围岩的渗透系数和混凝土衬砌渗透系数的比值确定折减系数 k , k i o5 0 05 0 5 0 0 5 1 0 l p 0ll0 8 6 田9 4 0 4 d 60 0 4 - - 0 0 8 ( 4 ) 按地下水运动损失系数j 和衬砌外表面实际作用面积系数西的乘积确定 外水压力折减系数 江西水利水电勘测设计院根据围岩破碎度、透水性、混凝土衬砌质量、灌浆 和排水措施等，提出了地下水运动损失系数巧和实际面积作用系数西的参考值， 见表1 5 、1 - 6 。 表1 5 地下水运动损失系数6 经验值 无排水有排水 岩体透水性 6 围岩渗透性较强，洞中有流水 o 8 1 0o 5 o 8 围岩渗透性较弱，洞中有滴水0 每旬80 3 0 7 闱岩渗透性较弱，洞中无滴水0 3 o 60 年d 5 表1 - 6 衬砌外表面的实际面积作用系数西的经验值 未灌浆段网填灌浆段 岩体透水性 西 嗣岩破碎，裂隙很发育 0 8 1 0o 每旬9 罔岩破碎，裂隙较发育 0 6 - , 0 80 5 o 7 嗣岩完整，裂隙不发育 0 3 0 60 4 - o 5 外水压力折减系数 p = 6 6 t ( 1 - 3 ) 此外，各设计、科研单位在工程实践中针对具体工程也提出了一些经验的方 法。邹成杰( 1 9 9 4 ) ，宴同珍( 1 9 9 4 ) 等总结和论述了水头折减系数取值的经验方 法。宴同珍认为，对于断层破碎带，水头折减系数可取l 或大于l ，对于非沉积岩 类脉状裂隙水，可取为0 2 o 5 ，若为沉积岩层，尤其是可溶岩，由于孔隙、裂隙 或溶孔互相连通，地下水径流条件较好，折减系数可取为o 乱11 3 刀。 8 引言 当渗出或突出的地下水压力直接作用在衬砌的外表面时，外水压力一般考虑 为边界力，可采用作用系数的方法计算外水压力： p 币) ，渤 ( 1 - 4 ) 式中，p 为外水压力；j 6 f 为外水压力修正系数；为地下水重度；h o 为隧道位 置的静水头。 由以上分析可见，虽然确定衬砌外水压力作用系数的方法大多是经验或半经 验性的，但是都考虑了地下水渗流有关的围岩、衬砌的渗透性、围岩的裂隙性及 隧道防排水体系等影响因素。 1 3 2 数值分析方法 岩体地下水数值模拟方面，自2 0 世纪7 0 年代开始，有限单元法和有限差分 法被引入水文地质计算。8 0 年代起数值方法已被广泛用于计算模拟各类与裂隙介 质地下水运动有关的问题，是岩体地下水资源评价、荷载分析、水质预测中非常 行之有效的计算方法之一。数值法在模拟裂隙介质地下水离散模型、连续性模型、 混合模型和耦合模型方面具有其它方法无法代替的优越性。数值方法在应用过程 中也得到了不断发展，从最初的有限差分法、有限元法，发展到后来边界单元法、 有限分析法等多种数值方法并存，每一种数值计算方法本身在解决具体问题过程 中也不断的被发展和完善。 2 0 世纪8 0 年代末，9 0 年代初，有关水工建筑物附近岩体地下水运动问题得 到了生产、设计、科研人员的广泛关注，其中朱伯芳( 1 9 8 2 ) 、张有天( 1 9 8 2 ) 国 内最早采用数值法从事这方面的研究。起初研究的重点是排水孑l 在渗流场数值模 拟中的处理方法。在水利枢纽工程岩体地下水运动计算中，朱伯芳提出了考虑排 水孔作用的杂交元法，张有天则采用边界元法求解有排水孔的渗流场。关锦荷等 ( 1 9 8 4 ) 用排水沟代替排水井列的有限单元法分析渗流场。这些方法尽管从不同 角度考虑了排水孔在渗流场中的作用，但没有严格反映排水孔尺寸大小及三维排 水降压效应【3 8 。4 。 目前裂隙介质地下水运动数值模拟方法，就方法本身的计算精度、处理复杂 构造的精细程度而言，虽然仍存在着这样那样的不足，但可以说足以满足目前工 程计算的精度要求。然而，很多实际工程计算结果不尽人意，甚至招致“数学游戏” 9 北京交通人学硕士学位论文 的戏语，究其根源是在实际工程计算是构造了不全面、不正确的概念模型。地质 体因地而异，千变万化，复杂之程度至少现今为止无法用数学语言全面描述。学 术界和工程界对岩体地下水运动的研究存在难以逾越的鸿沟。一方面理论界对单 个裂隙面几何形态、透水性采用各种数学方法、试验方法做精细研究，有关成果 层出不穷的见诸期刊；另一方面实际工程裂隙介质地下水运动问题计算是，不考 虑或不深入研究地质体构造特征、结构面发育规律、控水结构面特点、研究区域 边界和边界条件，就直接套用某类模型模拟计算现象相当普遍。理论研究与实际 应用如何衔接值得深剧4 引。 1 3 3 模型试验研究 模型试验作为隧道工程研究的一项重要手段，对隧道工程的发展起着很大的 推动作用【4 3 4 5 1 。但从查找文献来看，对隧道渗流场的模型试验研究还处于起始阶 段，文献量很少，速宝玉、詹美礼、赵坚( 1 9 9 4 ) 4 6 】对光滑裂隙水流模型进行了 试验研究，试验结果表明，对于一般隙宽且流态属于层流时，立方定律是适用的。 当裂隙宽度进入微裂隙是，尽管雷诺数很小，立方定律亦不适用，似呈非牛顿流 体特性。速宝玉、詹美礼、郭笑娥( 1 9 9 7 ) f 7 】进行了交叉裂隙水流的模型试验研 究，在大量交叉裂隙水流模型试验的基础上揭示了交叉流的基本规律，论述了局 部水头损失的客观存在性。崔岩等( 1 9 9 7 、2 0 0 0 ) 4 8 - 4 9 1 对浅埋地下结构外水压力 折减系数试验研究表明对浅埋地下结构，如不采取导排水措施，外水压力是不能 折减的。彭朝全、吴相超、肖本职( 1 9 9 7 、2 0 0 3 ) 1 5 0 1 对重庆排污工程长江隧洞岩 体渗透压力监测结果分析显示渗透压力变化主要受长江隧洞岩体渗透压力监测结 果分析显示渗透压力变化主要受长江水位变化的影响，长江水位降低，渗透水压 力降低，长江水位上涨，渗透水压力降低，同时，水位变化量与渗透水压力变化 量比较一致。中铁西南科学研究院( 2 0 0 3 ) 1 5 1 l 采用模型试验研究了均匀围岩、在 控制排水条件下隧道衬砌结构背后水压力折减系数。王秀英( 2 0 0 5 ) 1 5 2 】、皇甫明 ( 2 0 0 6 ) 【5 3 】对不同注浆参数条件时渗流场的分布进行了研究，得到衬砌水压力随 注浆圈厚度、注浆圈渗透系数的变化规律，研究了不同排水量时衬砌背后水压力 的变化规律。 1 0 引言 1 4 需要进一步研究的问题 从以上论述可以看出，尽管国内外学者在岩体渗流方面做了大量研究工作， 且取得了一系列的研究成果，但是对高水压岩溶隧道渗流场的分布问题，仍存在 以下方面问题有待进一步的研究和探讨： ( 1 ) 作为连续介质模型，限量排放条件下高水压隧道渗流场的分布规律。 ( 2 ) 对于高水压岩溶隧道而言，不良地质条件，溶洞、暗河、断层破碎带周 边渗流场的分布规律。 ( 3 ) 流、固耦合场作用下隧道渗流场的分布。 ( 4 ) 注浆圈在“堵水限排”中所起作用的模型试验研究，衬砌结构在应力场、 渗流场联合作用下的受力耦合研究。 1 5 本文的研究思路及主要内容 在深入分析已有文献的基础上，本文通过理论解析、数值模拟、模型试验对 隧道渗流场分布进行了研究。充分模拟应力场和渗流场的耦合作用，研究围岩中 渗流场的分布。对不良地质条件围岩中渗流场分布进行理论解析研究；并以理论 解析、数值模拟和模型试验手段进行了分析验证。在以上研究成果的基础上，对 高水压岩溶隧道渗流场分布进行系统的研究。根据以上研究思路，本文研究的主 要内容编排如下： 第一章：介绍论文的选题依据，课题的工程背景，综述本领域国内外的研究 现状，指出尚需进一步解决的问题并提出本文的研究内容和方法。 第二章：建立不考虑围岩变形条件下高水压岩溶隧道渗流场分析的解析模型， 对不良地质，如岩溶、暗河、断层等特殊地质条件下围岩渗流场的分布进行研究。 第三章：通过模型试验，研究应力场和渗流场共同作用下渗流场分布规律和 结构受力特征，分析注浆圈的排水减压作用，并研究衬砌结构在双场作用下的受 力特征。 第四章：通过数值模拟，对岩溶隧道渗流场分布进行三维渗流模拟，研究注 浆控制要素对隧道渗流场分布的影响规律和隧道排水量对衬砌水压的影响规律。 第五章：对本文的研究成果进行总结，并对本领域需要进一步解决的问题进 行展望。 北京交通大学硕士学位论文 1 6 本文的创新点 ( 1 ) 应用国内首例可以同时施加土压力和水压力的模型试验台架，采用光纤 光栅测试系统，对岩溶隧道在应力场和渗流场共同作用下的渗流场分布和结构受 力特征进行了模拟，得到了双场作用下围岩渗流场和衬砌水压力的特征。 ( 2 ) 通过数值模拟，分析了不同注浆条件下，岩溶隧道渗流场的分布，得到 了隧道围岩渗流场和衬砌背后水压随注浆控制要素和流量的变化规律。 1 2 2 岩溶隧道围岩渗流场分布特征理论研究 2 1 应力场和渗流场的相互作用机理 岩溶区隧道的典型特征是隧道将受到应力场和渗流场的共同作用，二者在岩 溶特殊地质条件下相互影响。隧道裂隙岩体在其生成及地质历史发展过程中，均 处于一定的应力环境中，即具有特定的应力场分布；另一方面，由于储存并运移 于其中的地下水的存在，又使得裂隙岩体存在于一定的地下水渗流场环境中【5 4 1 。 对隧道裂隙岩体中所存在的渗流场和应力场之间的相互影响称为耦合作用，其主 要表现在以下两方面：当裂隙岩体中有渗流发生( 即存在渗流场) 时，地下水 渗流在裂隙岩体中引起的渗流作用力( 包括静水压力和动水压力) 将改变岩体中 原始存在的应力状态( 即裂隙岩体赋存地应力场环境) ；裂隙岩体中应力状态的 改变，又将引起岩体结构的变化，进而改变裂隙岩体的渗透性能，使裂隙岩体中 地下水渗流场随之变化。以上两方面的相互作用是通过岩溶隧道裂隙岩体的渗透 性能及其改变而联系起来的，当有渗流发生时，这两种作用将通过反复耦合而达 到动态稳定状态【5 5 5 6 1 。 2 1 1 隧道裂隙岩体中渗流场对应力场的影响 隧道裂隙岩体中渗流场变化、地下水作用( 包括化学潜蚀作用、物理弱化作 用和力学作用) 会引起应力场坏境发生相应变迁，导致岩体发生渗透变形。这种 变形过程具有一定的时效性，表现在【5 7 】：地下水对裂隙结构面的物理化学作用， 可逐渐地减弱裂隙岩体的物理力学性质；地下水通过力学作用，对裂隙岩体中 的结构面产生扩展作用。 ( 1 ) 化学潜蚀作用 地下水的化学潜蚀作用对应力场环境的影响主要表现在裂隙岩体结构面的扩 展过程中。试验研究表明，裂隙岩体中渗流场变化引起裂隙结构面扩展的化学潜 蚀作用，反映在地下水含有对裂隙岩体产生化学侵蚀作用的成分。其中，地下水 对裂隙结构面软弱充填物中的石英颗粒具有溶蚀作用，对铁质具有氧化作用；对 碳酸盐岩质的裂隙岩体，地下水具有典型的化学侵蚀作用，其化学反应式为 1 3 北京交通大学硕士学位论文 c a c 0 3 + c 0 2 + h 2 0 = c a ( h c 0 3 ) 2 就地下水对碳酸盐岩质裂隙岩体的化学侵蚀作用而言，作用的程度取决于地 下水与碳酸盐岩质裂隙岩体的接触表面积。而接触表面积的增大可通过两种方式 获得：一种方式是地下水渗流速度的提高，加速了地下水的运动，对裂隙结构面 网络中充填物的冲刷能力得以增强，同时与碳酸盐岩质裂隙岩体接触反应的地下 水浓度得以稀释。这样一则增大了地下水与碳酸盐岩质裂隙岩体的接触表面积， 二则提高了地下水与碳酸盐的反应速度，从而可增强地下水对碳酸盐岩质裂隙岩 体的化学侵蚀作用程度；另一种方式是增大裂隙结构面的粗糙度，籍此扩大地下 水域碳酸盐岩质裂隙岩体的接触表面积，增强地下水渗流过程对碳酸盐之裂隙岩 体的化学侵蚀作用程度【5 8 - 5 9 1 。从以上两种方式可以看出，前者的地下水渗流速度 改变依赖于地下水渗流场，同时在增强地下水对碳酸盐岩质裂隙岩体化学侵蚀作 用程度中占据着重要地位，从而碳酸盐岩质裂隙岩体中地下水渗流场的改变对地 下水的化学侵蚀作用有重要的意义，其构成了裂隙岩体中应力场发生改变的物理 基础。 ( 2 ) 物理弱化效应 裂隙岩体中地下水的物理弱化效应表现在裂隙结构面的扩展过程中。大量的 试验研究表明，裂隙岩体中渗流场变化引起裂隙结构面扩展的物理弱化效应，反 映在地下水物理作用致使裂隙结构面及充填物随含水量国增加，其物理性状不断 改变，发生由固态向塑态直至向液态转化的弱化效应，导致其力学性能蜕变，影 响裂隙岩体的力学作用过程，进而改变应力场环境。 由此可知，地下水物理弱化效应对裂隙岩体应力场环境的影响作用通过两种 方式进行：通过使裂隙结构面及充填物含水量0 7 的正向变化，引起裂隙结构面 扩展以致改变裂隙岩体的应力场环境；通过使裂隙及构面及充填物含水量缈的 正向变化，改变其物理性状，发生由固态向塑态直至向液态转化的弱化效应，以 致裂隙结构面的力学性能蜕变，改变裂隙岩体的应力场环境。这两种影响作用方 式都是通过改变裂隙结构面及充填物的含水量国进行。 试验研究表明，不同成分和组构特征的裂隙结构面和充填物具有不同的吸水 ( 含水) 效应，表现在：成因相同而组构不同的裂隙结构面和充填物，因物质 成分和颗粒组成各异致使其吸水性能强弱不一，并且与粘土矿物的成份和含量密 1 4 围岩渗流场及衬砌水压力理论研究 切相关。其中粘土含量同含水量成正比变化，而粘土成分不同则其含水性能各异， 尤以蒙脱石吸水性能最强，高岭石、伊利石和绿泥石等粘土矿物吸水性能相对次 之；以碎屑和泥质( 含粘粒) 充填为主、具有不同成因类型和组构且总体较薄 的充填物