（地质工程专业论文）抗水压隧道（洞）四因素平衡体系的试验研究.pdf

摘要 摘要 随着西部多山地区大规模水利水电、交通建设的大规模发展，长大隧道的 设计和施工过程中将越来越多地遭遇高压地下水问题。在深埋富水区隧道施作 注浆加固圈成为主要的防治理手段，了解“堵水限排 条件下，地下水在隧道 围岩、注浆加固圈以及衬砌结构中的运移及作用机理成为亟待解决的问题。 本文将高压地下水隧道围岩注浆加固圈支护结构视为一个完整的平衡体 系，以锦屏水电枢纽二级水电站交通辅助洞与引水隧道作为工程背景，从试验 和理论两个方面对其进行了研究和探讨。 在试验研究方面：通过三轴应力应变全过程试验，了解大理岩围岩的变形 特点及性质，通过常规路径下三轴渗透试验、复杂路径下的三轴渗透试验以及 破裂后注浆岩样的三轴渗透试验，分析四因素体系中围岩、注浆加固圈的渗流 性质及耦合过程。 在理论研究方面，运用理论解析方法，推导了堵水限排隧道外水压力、涌 水量的计算公式，分析了注浆圈厚度、渗透系数折减倍数、隧道排水率与衬砌 外水压力之间的关系，对比试验测试结果，对公式进行了考虑耦合作用的修正。 运用有限元计算软件分析了典型剖面衬砌的受力，进行了支护结构的辅助设计。 本研究对“四因素体系 耦合作用机理进行了初步探索，研究成果可为后 续研究和工程设计提供参考和指导。 关键词：高压地下水；抗水压隧道；四因素体系；平衡机理；堵水限排 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h em a s s i v ec o n s t r u c t i o no fh y d r a u l i ce n g i n e e r i n ga n dt r a f f i ce n g i n e e r i n gi n w e s t e r nm o u n t a i n o u sa r e a s , m o r ea n dm o r eh i g h - p r e s s u r eg r o u n d w a t e rp r o b l e m sw i l lb e e n c o u n t e r e dw h e nb u i l d i n gl o n ga n dw i d et u n n e l c o n s t r u c t i n gg r o u t i n gc i r c l eh a sb e c a n 圮am a i n m e t h o dw h e nb u i l d i n gt u n n e li nd e e pw a t e r - e n r i c h e dr e g i o n s ot om a k ec l e a rt h em e c h a n i s mh o w g r o u n d w a t e rm o v i n gt h r o u g hr o c k ，g r o u t i n gc i r c l e ，a n dt u u n e l i n gi nc i r c u m s t a n c eo fb l o c k i n g g r o u n d w a t e ra n dl i m i t i n gd i s c h a r g eh a sb e c a m en e c e s s a r y t h i sp a p e rs e c n l sh i g hp r e s s u r eg r o u n d w a t e r - r o c km a s s - g r o u t i n gc i r c l e s u p p o r t i n g s t r u c t u r ea sa i n t e g r i t yb a l a n c es y s t e m u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft r a f f i ct u n n e la n dw a t e rt u n n e lo f t h ej i n g p i nh y d r o p o w e rs t a t i o n ，e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c hw e r es t u d i e d i ne x p e r i m e n t a la s p e c t , f u l l - p e r i o ds t r e s s - s t r a i ne x p e r i m e n tw e r ec a r r i e do u tt ou n d e r s t a n d t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r so fm a r b l e ，t h r o u g ht r i a l - a x i st e s t i n ga n ds e e p a g et e s to ng r o u t e d f r a c t u r er o c ks a m p l e s ，f i l t r a t i o nc h a r a c t e r sa b o u td i f f e r e n tr e g i o no f r o c km a s so rg r o u t i n gr e g i o n c a nb es t u d i e d b ym e a n so ft h e o r ym e t h o d , t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ee x t e r n a lw a t e rp r e s s u r ea n d a m o u n to fg u s h i n gw a t e rw e r ed e r i v e d t h eb a s i cr e g u l a t i o no ft h ee f f e c t so fg r o u t i n gc i r c l eo n t u n n e li nc i r c u m s t a n c eo fg u s h i n gw a t e ra n de x t e r n a lw a t e rp r e s s u r eo nl i n i n ga r ed e r i v e db y t h e o r yc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s b yc o n s i d e r i n gt h et e s tr e s u l t s ，t h ef o r m u l ai sa m e n d e dw i t h c o n s i d e r i n gw a t e r - r o c kc o u p l i n g t h ez i n i n gf o r c eo nt y p i c a lp r o f i l eo ft h et u n n e lw e r ec a l c u l a t e d b yu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，f u r t h e r m o r et h es u p p o r ts t r u c t u r e - a i d e dd e s i g nw a s c a r r i e do u t t h i ss t u d yi st h eb e g i n n i n gp a r to ft h e “f o u rf a c t o r ss y s t e m ”r e s e a r c h ，t h er e s e a r c hr e s u l t s c a nb eu s e df o rt h ef o l l o w - u pr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n gd e s i g n k e yw o r d s ：h i g hp r e s s u r eg r o u n d w a t e r ；w a t e r - r e s i s t i n gt u n n e l ；f o u r - f a c t o rs y s t e m ；b a l a n c e m e c h a n i s m ；b l o c k i n gg r o u n d w a t e ra n dl i m i t i n gd i s c h a r g e l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：叶冲 z 0 0 8 年弓月fg 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名：叶冲 年月日 如d 名年3 月旭日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 第一章绪论 1 1 选题依据和研究意义 第一章绪论 1 1 1 我国山岭隧道大规模建设的蓬勃兴起 我国是一个多山国家，西部腹地更是山岭重重。随着西部大开发战略的实 施，在西部地区开始大量修建隧道群和长大隧道。目前我国辽宁、山西、福建、 广东、浙江、陕西、云南、贵州、西藏、四川、重庆、青海、湖南等省市均有 大量山岭隧道正在建设中。在相当长的一段时间内，我国交通的重点仍将是中 西部公路的建设，以形成贯穿南北和东西的干线网。我国水利水电地下工程建 设在建国以来也有很大发展，据不完全统计，到2 0 0 1 年我国水电工程己建设成 隧道4 0 0 多条，总长4 0 0 多千米。 1 1 2 富水区隧道遭遇的高压地下水问题 当前，很多山岭遂道的修建中，遂道穿越富水区，埋深大，水头高，如何 在不影响生态环境的条件下，安全、可靠且经济合理地进行遂道的规划设计、 施工和运营成为热点问题。 在水利工程及隧道工程中，有时会遇到高达数个兆帕到十几个兆帕的高压 地下水( 如锦屏电站辅助洞工程和渝( 重庆) 怀( 化) 铁路圆梁山隧道) ，一旦 处置不当，可能造成灾难性的后果。对一般山岭隧道( 洞) 而言，无论在施工 中还是运营后，隧道结构时刻处于地下水包围之中，隧道衬砌的渗漏、变形， 洞顶地表的塌陷，施工期间的突水、突泥，都与地下水有关，而且水压越高， 危害越大。地下水是山岭隧道设计施工亟待解决的关键问题之一。 高压地下水对隧道的影响体现在两方面：( 1 ) 高压突水、突泥；( 2 ) 衬砌 高水压。前者是以水量的形式造成灾害，在隧道开挖施工中，大量的高压地下 水或者洞内泥石流迅速突出，冲毁、淹没和掩埋洞内的施工机械、建筑材料以 及电力设施，同时对施工人员的人身安全造成了极大的威胁，还可能对地质环 境及生态环境造成不可逆转的破坏，如大瑶山隧道班古坳竖井平导施工至 1 9 9 4 + 2 1 3 时，突发携带大量泥砂的岩溶水，造成竖井被淹，洞内设备被淹没， 中断施工达一年之久，同时在地表造成了大量地面塌陷；后者是以水压的形式 造成灾害，隧道开挖后，随着围岩临空面的形成，地下水将向释压方向渗流， 1 第一苹绪论 如果遇到衬砌的抵抗，则随着水量在衬背的累积，地下水压力逐渐升高，最终 可能造成衬砌的局部破坏甚至是整体崩溃，如贵昆线梅花山隧道1 9 9 1 年7 月雨 季因地下河水猛涨，洞内边墙高压射水，边墙衬砌开裂倒塌1 2 m ，中断行车7 天之久；京原线驿马岭隧道1 9 7 2 年洞内高压突水，造成停运达一年之久。近年 来，在高水位富水区修建的长大水工隧洞及铁路隧道频频遭遇高压甚至是超高 压地下水的作用。如锦屏水电站在两条5 k m 长探洞的施工过程中，曾发生十余 次流量大于1 0 0 的集中涌水，长探洞封堵后最大水压力为1 0 2 2 m p a ，在有其 它出水孔释放的情况下，1 9 9 4 年1 1 月灌浆实验最大涌水压力2 5 m p a ，1 9 9 5 年 1 2 月灌浆实验最大涌水压力2 3 m p a ；渝怀铁路圆梁山隧道，穿越毛坝向斜及桐 麻岭背斜高压富水区，毛坝向斜实测最大水头压力达到5 4 2 m p a ，且多次发生突 泥事故，而桐麻岭背斜则发生过多次高压突水，造成了人员伤亡及重大经济损 失；重庆枢纽渝怀引入线歌乐山隧道，近垂直穿越中梁山背斜，由于地层倾角 较陡，地下水与地表出露的泉眼、暗河相互连通，施工时涌水压力最大达2 2 m p a 。 1 1 3 深埋隧道高压地下水的主要处理办法 高水压富水区隧道结构设计时，除了考虑围岩压力，还需考虑外水压力。 作用于衬砌结构上的围岩压力可以被地层成拱作用降低，而外水压力不受此影 响，外水压力设计值的大小是决定衬砌结构荷载的关键因素之_ ，它不仅与地 下水水头有关，还与隧道排水方式有关。 隧道工程中对地下水的处理方式有“排导方式一和“全封堵方式2 种。排 导方式可以基本不考虑衬砌的外水压力，从而使衬砌结构设计更加经济，但如 果地下水排放量的控制问题处理不当，可能会对隧道周边的生态环境造成不利 影响，此类工程问题已发生多起。全封堵方式由于衬砌要承受同地下水水头基 本相当的外水压力，一般适于埋深较浅、地下水水位较低的隧道。根据国外的 经验，通常情况下，当地下水水头小于6 0 m 时，宜采用全封堵方式；当地下水 水头大于6 0 m 时，宜采用排导方式，并通过注浆圈进行堵水，以达到“堵水限 排”的目的，“堵是为了控制地下水的排放量，“排”则是为了降低作用在隧 道衬砌上的外水压力。 对于深埋隧洞的高外水压力问题，可以采用“以排为主”的排水方式解决， 也可以采用“以堵为主，堵排结合 的灌浆封堵方式解决。若排水量过大会大 幅度降低隧洞所在地区的地下水位，对周边的环境产生一定的负面影响，这时 2 第一章绪论 一般采用灌浆封堵的方式来抵抗大部份外水压力。由于隧洞开挖后，地下水由 静压转为动水，这时注浆很难达到预期效果，所以应进行隧洞开挖前的超前预 注浆( 超前长导管预注浆或超前平导管预注浆) ( 图1 1 ) 。隧洞围岩在预注浆后 形成一定厚度的注浆加固圈，不但可防止地下水渗入，而且可承受大部分外水 压力。 c a ) 超前长导管预注浆( b ) 超前平导预注浆 图1 1 铁路隧道高水位富水段的超前预注浆 隧洞衬砌承受荷载的能力是非常有限的。按洋坪隧道的结构计算模式，6 0 c m 厚混凝土二次衬砌，能够承受o 3 0 4 m p a 的静水压力，6 0 e r a 厚钢筋混凝土二次 衬砌( 4 f2 0 ) ，能够承受0 6 - 0 6 5 m p a 静水压力，6 0 e r a 厚钢筋混凝土二次衬砌 ( 5 f2 2 ) ，能够承受o 6 5 - o 7 4 m p a 的静水压力，可见隧道衬砌难以直接抵抗外水 压力。 深埋隧洞主要依靠注浆加固圈来承受外水压力1 3 】【6 1 【1 3 l 【1 7 1 1 2 8 1 1 4 7 1 ，国内学者采 用有限元及弹性理论计算发现，注浆加固圈可承受水压的9 3 7 5 ，而衬砌仅承 受6 2 5 ；另外，我国铁科院西南分院对双线铁路隧洞衬砌进行过模型试验，不 设注浆加固圈时静水压力在0 7 1 o m p a 时衬砌发生破坏，有注浆加固圈时 4 o m p a 静水压力下衬砌完好无损。一般注浆后，加固圈围岩的渗透性能够有效 减小，高水头地下水在加固圈中的渗流会消耗掉大量能量，这意味着加固圈将 承受大部分外水压力，若加固圈和衬背之间排水条件良好，则衬砌承受的外水 压力会很小；反之，随着水量的累积，衬砌最终将承受整个水头的外水压力。 综合以上分析，高压地下水与隧洞支护结构间是一对矛盾的对立体，它们 之间相互制约，随着认识的加深，在处理高压地下水方面，基本上达成了这样 的共识：单纯依靠衬砌来抵御外水压力完全不可行，采用注浆加固，”以堵为主， 堵排结合”，是当前施工水平和技术体系下的行之有效的办法。 3 第一章绪论 1 1 4 四因素平衡体系的提出与研究意义 在高水位富水区以及水下隧道中，单纯依靠地下结构无法满足抗水压要求， 此时需要采用注浆加固圈来抵抗外水压力以及削减入渗水量，衬砌只承受少量 渗透水在衬背形成的水压。高压地下水隧洞围岩注浆加固圈支护结构之间的 相互作用决定了体系结构的抗水压性能。 如果把地下水的运移过程看作是一个动态平衡体系，将高压地下水隧道围 岩注浆加固圈支护结构看作一个平衡体系，这个体系内部各因素的相互作用和 此消彼长，决定这个体系的最终状态，即决定了隧道围岩稳定、加固止水和抗 水压衬砌受力的最终效果。 把高压地下水隧道围岩注浆加固圈支护结构这样一个平衡体系简称为： 四因素体系。目前，对四因素体系平衡机理的研究深入不够，对高压地下水、 围岩、注浆加固圈和支护结构的研究分别局限在水文地质、工程地质、水利工 程和隧道工程等领域。 分析平衡体系对外界激励的( 半、全) 耦合响应过程及各因素的敏感性， 合理分析水压在加固圈和衬砌上的分配，进而针对不同类型的高压地下水( 储 水构造) 和不同类型的围岩结构，提出注浆加固圈优化的施工方法和材料选择， 针对不同类型的加固圈提出抗水压衬砌优化的形式以及设计计算模式。 正鉴于此，有关深埋隧道( 洞) 四因素平衡体系机理的试验和理论研究不 仅具有可观的工程经济效应，而且对类似的水利水电、公路、铁路隧道的施工 设计具有指导意义，也必将为后续的相关方面的理论完善起到一定的借鉴作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 有关裂隙岩体注浆工艺的研究现状 1 9 世纪早期，法国首先采用注浆加固地基并获成功，此后，该项技术在世 界上获得了广泛的应用，大量的方法和材料被用于处理不同的地层和满足不同 的要求【5 3 】i 列【5 6 s 7 1 s 8 l 【5 9 l 【鲫。尽管经过几百年的发展，针对不同浆材和方法积累了 不少经验，但注浆工程仍然是一种处于试验性的以经验为主的技术。特别是在 岩石注浆领域，该技术还是很不成熟。与松散介质相比，裂隙岩体属于相对的 低渗透性介质，由于地层的非均质性，数学工具还难以解决注浆过程中流体的 4 第一章绪论 运动问题，成功的注浆仍需依靠施工人员的经验，而也只能在注浆结束才能评 估注浆的效果。有关注浆的研究工作获得了很大的关注，如1 9 8 9 年成立了国际 岩石力学学会( i s r m ) 岩石注浆委员会，就岩石注浆技术问题进行了广泛的总 厶士 ；口。 目前，国内注浆施工技术已经相对成熟：( 1 ) 注浆打孔工具已有先进的机 械，如四臂、两臂台车的应用，可作3 6 俨打孔，一般岩层只须2 - 3 m i n 就可打完 5 m 的深孔，1 h 打2 5 3 0 个孔，一天可打6 0 0 7 2 0 个孔，进度快；( 2 ) 新材料的 应用：如水玻璃的利用，凝结速度的快慢可人为地选定，快的数秒钟即结硬， 而新堵水材料还不断地涌现【5 卯。( 3 ) 注浆工具已日臻完善m 。有关围岩注浆承 载圈抗水压机理及设计施工优化的论述主要集中在水电行业 1 5 1 1 6 1 1 7 1 0 】【1 1 l 【1 3 】【3 9 】【4 2 】【叫，交通系统与之相关的是水下公路隧道【1 2 】【2 ，铁路系统则 是从大瑶山隧道开始起步，隧道团1 1 4 6 1 1 4 7 】【4 9 】i 则、歌乐山隧道【3 】【4 】【2 5 1 才开始系统进 行研究的。 图1 2 国内某铁路隧道超前预注浆设计及浆液扩散范围【9 】 图1 3 日本s e i k a n 隧道的超前预注浆减渗防水【5 3 l 5 第一章绪论 1 2 2 有关隧道围岩与支护结构作用的研究【7 l 围岩是隧洞的主要承载结构这一设计思想，最初源于运用在隧洞开挖施工 中的新奥地利隧道施工法( 新奥法) 理论，该理论是在二十世纪六十年代，由 奥地利学者腊勃希维兹教授提出并经谬勒教授丰富其内涵，其基本原理是尽量 保持围岩原有的结构和强度，不要恶化围岩中的应力分布，并通过适当的支护， 控制因洞室开挖形成的应力重分布来最大限度地利用围岩的自承能力，这一理 论已在世界众多国家实践并得到发展，它的应用与发展对地下工程的设计与施 工技术的进步起到了巨大的推动作用。国内外许多深埋隧洞的设计、施工、建 设就是运用了这一思想，立足于及时稳定与加固围岩，把围岩作为承载的主体， 利用喷锚支护体系的积极主动作用，达到围岩支护体系的联合承载效果，改变 了过去仅把围岩当作荷载，靠支护体系被动承载的思想。围岩是地下工程中主 要的承载结构早已成为现代隧洞理论的核心。 在隧道设计时，掌握支护结构上的围岩压力是非常必要的。隧道的一个重 要力学特性就是荷载、结构、材料三位一体。但在结构设计中，围岩压力可分 为两种类型：松弛压力和支护与围岩相互作用产生的压力( 亦称为形变压力) i 刈。 隧道开挖后隧道周边产生应力再分配，会出现隧道周边的应力在围岩强度 以内的情况，也会出现围岩产生屈服的情况。通常都是把周边围岩视为均匀的 连续体介质进行研究。但实际的围岩是包含有节理等力学上不连续的面，应该 考虑这种影响。由于不连续面的存在，围岩会产生松弛。设置支持这种岩块的 支护结构时，这种松弛的岩块作用在支护结构上的压力就称为松弛压力。松弛 压力在裂隙围岩中主要受到不连续面方向的控制，开挖方法和支护结构的设施 时期也有一定影响。有关松弛压力的计算很难用解析方法求解，一般都采用经 验的方法推定，根据大量实际调查统计资料，建立施工塌方事件与围岩级别之 间的统计联系，再将围岩类别与支护结构设计荷载之间建立一个相对统一的经 验公式进行荷载设计。 与初始地应力比，围岩强度小的场合，围岩的动态是受围岩强度比支配的。 即隧道周边的围岩发生屈服，并形成塑形区，如变形过大，就要采用控制变形 的支护结构。设置支护结构也就是用支护结构给定一个约束围岩变形的力，反 过来说支护结构也将受到荷载( 即压力) 的作用，为了与松弛压力区别，称为 形变压力。形变压力与开挖面的变形有关。形变压力主要体现在喷混凝土或锚 喷支护的接触压力上，它的一个重要特征随机性，而且影响变量较多，通常的 6 第一章绪论 办法是积累大量随机数据，用数理统计的方法分析其规律性。 但在此领域研究中，主要考虑的是围岩压力，对于高压地下水处理问题， 没有深入涉及。 1 2 3 堵水限排隧道外水压力的确定 深埋高压富水隧道，都是处于地下水位以下的。这里不考虑突发性涌水( 岩 溶地下水) 情况，仅考虑存在深层水循环的情况( 深层构造裂隙水) 。 目前国内对外水压力的分析处理，主要是采用以下两种方法：( a ) 把外水 压力当作面力；( b ) 把外水压力当作体积力。前一种是隧洞规范推荐的方法， 也是设计人员常采用的，主要是用外水压力作用系数法计算出作用在隧洞衬砌 上的外水压力，再进行衬砌应力计算。其概念简单，易于用结构力学法或弹性 力学法进行分析计算。后一种采用渗流场理论，较符合外水压力作用的实际情 况，主要运用渗流场分析方法计算出其渗透力，并对围岩和衬砌中的渗流场及 应力场进行耦合分析。 ( 1 ) 外水压力作用系数法 相当的隧道工程实践隧道表明：隧道开挖后对地下水活动影响的范围仅局 限于一定的范围，而不是整个地下水都对隧道发生作用，实质上是深层循环水 在起作用。很多山岭隧道不需要考虑水压作用，或仅仅考虑可以接受的水压值， 即对水压值进行折减。而且折减系数随着埋深的增加( 意味着渗透系数的减小) 也随之减小。 这种方法也是隧洞规范推荐的方法。在实际工程中，由于施工工艺及各种 客观因素的制约，二次衬砌很难作到与围岩紧密结合，外水压力一般考虑为边 界力。在这种情况下，将围岩衬砌体系的相互作用概化为外水压力折减系数( 一 般定义作用在衬砌上的外水压力水头与地下水位至隧洞的水柱高之比) ，由于该 系数不恒小于1 ，张有天等又将其进行修正后定义为外水压力修正系数。这里统 一成为外水压力作用系数。 采用外水压力作用系数法来计算作用在隧洞衬砌上的外水压力，计算公式 如下： p = 卢y 。h ( 1 1 ) 式中： 7 第一章绪论 p 外水压力；声外水压力修正系数：九地下水重度：日渗流场模拟出的 水头。 目前围绕着外水压力作用系数取值问题，国内外还存在着较大的争议。 在国内，有关外水压力计算的规范主要是水电部门水工隧洞设计规范 ( s l 2 7 9 2 0 0 2 ) ) ) 1 2 9 1 的有关规定。文献【1 9 l 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b 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b 1 ，考虑水压作用面积减少的面积系数b 2 和反映排水卸压情况的系 数b 3 。即：6 = 8 r 8 2 b 3 。张有天( 1 9 9 6 ) 也针对水工隧洞和压力管道论述了与 此类似的折减系数取值方法1 1 2 1 。董国贤论述了水头折减系数的综合指标法。 我国水电行业在水工隧洞水头折减系数的取值和外水压力的计算中积累了 丰富的工程经验，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，如天生桥二级电站根据洞壁的出水情况及水文地质条件确定外水 压力作用系数的经验法，原东北设计院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法以及江西水利水电勘测设计按地下水运动损失系数和 衬砌外表面的实际作用面积系数的乘积确定外水压力折减系数法等i 删。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1 或大于1 ，对于非沉积岩类脉状 裂隙水，可取为o 2 0 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0 6 - 1 。 文献 7 0 1 采用模型试验的方法获取了不同注浆圈渗透系数条件下，衬砌外水 头的折减系数的实测值，得到了衬砌背后水压折减系数与围岩注浆圈渗透系数 关系曲线。 国外对外水压力的取值也极不统一，大致有以下三种情况： ( 1 ) 折减系数法，根据不同工程统计，b 值约在o 1 5 0 9 之间。澳大利亚、 美国及日本有时用此法。 ( 2 ) 全水头法( 1 3 = 1 ) ，美国及法国常用。 ( 3 ) 可能最大水头值。美国、加拿大及巴西等国，常将隧洞衬砌所承受 的静水头计算到地表面。 ( 2 ) 运用渗流场方法计算衬砌外水压力 铁路、公路隧道工程与水利和水电工程存在很多差别，运用折减系数法明 显存在着不足，因为随着近年来高水位富水区铁路、公路隧道的修建，对这方 8 第一章绪论 面的研究工作也开始展开，采用的研究方法不尽相同，但大体上是以折减系数 法，逐渐根据对隧道围岩渗流场的研究，来确定衬砌上的外水压力l 吲。文献【6 1 1 推导了注浆加固圈和衬砌结构承受的孔隙水压力的理论解析公式。 日本青函隧道水压力的计算将围岩视为均质、各向同性的弹塑性体，其中 作用的初始应力视为静水压力状态。运用达西定律推导出了作用在衬砌及注浆 加固圈区域内的间隙水压力。 文献 6 5 1 提出了一种计算深埋隧道外水压力的方法一解析数值方法。该方法 的具体思路是：首先建立隧道排水的水文地质概念模型，采用经验解析法预测 其涌水量，然后将涌水量代入隧道围岩渗流的剖面二维模型，模拟排水时围岩 渗流场的分布，再采用作用系数方法，计算出隧道衬砌的外水压力。但是这种 方法没有考虑隧道结构的排水和衬砌本身的渗透性对渗流场的影响，这样得到 的渗流场与隧道周围的实际所处的渗流场是有区别的。 隧道外水压力的大小不仅与隧道围岩的性质、地下水的水头有关，而且也 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， 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。 在充分考虑结构围岩地下水耦合作用方面，一般采用地层结构法。在抗水 压隧道方面，不但要考虑结构围岩的力学作用，同时要考虑围岩中的渗流一应力 耦合作用，以及水岩、水结构的相互作用，也可以采用广义的地层结构法来解 决。具体可采用等效连续介质渗流应力耦合的数值方法予以解决。该方法计算 复杂，岩体的力学及水力学参数以及边界条件需要大量现场资料，还需针对抽 水试验、地应力测试、渗流应力耦合试验等方法进行参数反演，以保证计算成 果的正确性。 隧洞围岩应力场和衬砌外水压力的计算都与隧洞围岩渗流场作用密切相 关。根据隧洞施工扰动情况，可以将围岩渗流场分为初始渗流场、一次扰动渗 流场和二次扰动渗流场。初始渗流场是指隧洞没有施工时自然状态下的渗流场； 一次扰动渗流场是指隧洞开挖后，施工排水时渗流场的基本状态；二次扰动渗 流场是指衬砌做好后渗流场的基本状态。 运用渗流增量荷载理论分析隧洞应力的方法须对衬砌与围岩是否联合作用 进行判别。若衬砌与围岩界面的法向拉应力大于两者间的粘结强度，则衬砌与 围岩脱离，这时衬砌和围岩不能联合作用，将各自承担自身范围内的渗流体积 力。由于衬砌厚度通常很小，可将衬砌内的渗流体积力近似简化为作用在衬砌 9 第一章绪论 表面上的压力。衬砌外缘处的孔隙压力即为通称的外水压力。 文献【6 3 】指出”隧道衬砌外水荷载是作用于地下水位以下整个空间的渗流体 积力”，”应按渗流荷载增量理论分析隧道应力外水荷载作用下的隧道应力”；文 献 6 4 1 也指出在水工隧道建议的外水压力估算方法的第一种方法就是”渗流场分 析方法”。从渗流场理论出发计算水对围岩和衬砌的作用可以直接通过分析隧道 开挖引起的地应力和地下水渗透力对围岩和衬砌的耦合作用。 ( 2 ) 渗流应力耦合研究 岩体渗流场与应力场之间存在着耦合作用，位移场、应力场受渗流荷载影 响的同时，也影响着岩体中渗透水头的分布。这是由于岩体中分布有众多的裂 隙，应力作用导致裂隙几何特性发生变化，如裂隙开度的张开或闭合、裂隙粗 糙性的改变等，从而影响裂隙的透水性而引起整个岩体渗透性发生重大改变【3 1 1 。 近2 0 年来，对岩体渗流应力耦合作用的研究在国内得到了发展，已逐步成为岩 体渗流领域研究的热点【3 2 】。岩石渗流应力耦合模型则主要是建立在应力平衡方 程、渗流连续方程以及渗流应力耦合的本构方程。由于前两者可以通过经典的 弹塑性力学、地下水动力学理论得到精确的表达式，故目前对于岩石渗流与应 力耦合特性的研究主要式围绕如何得到满足工程应用需要的渗流应力耦合方程 展开而来的。对于岩石的渗流应力耦合特性方面的研究，学者们沿着不同的思 路进行，可以概括为以下三种：( 1 ) 直接通过渗流应力耦合试验得到渗透系数 与应力、应变关系的经验公式；( 2 ) 根据已有的耦合试验研究的成果设定耦合 特性关系式的函数形式，采用力学方法推导函数式中变量的表达式，确定耦合 特性关系式；( 3 ) 以各类模拟渗透现象的物理模型为基础，利用力学工具建立 耦合关系式。【删 围绕岩体渗流场与应力耦合场耦合模型，科学家作了大量的工作，取得了 长足进展。l o u i s 于1 9 7 4 年在试验的基础上，提出了裂隙岩体渗透系数与正应 力之间的关系式：之后德国的e r i c h s e n 从岩体裂隙压缩或剪切变形分析出发， 建立了应力与渗流之间的耦合关系。n o o r i s h a d ( 1 9 8 2 ，1 9 8 4 ) 提出了多孔连续 介质渗流场与应力场耦合场模型；o d a ( 1 9 8 6 ) 以节理统计为基础，运用渗透张 量法，建立了岩体渗流场与应力场耦合模型：o h n i s h i 和o h t s u ( 1 9 8 2 ) 研究了 非连续节理岩体的渗流与应力耦合方法；刘继山( 1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) ，用实验方法研 究了单裂隙和两正交裂隙受正应力作用时的渗透公式。仵彦卿和张倬元( 1 9 9 4 ， 1 9 9 5 ) 提出了岩体渗流场与应力场耦合的集中参数模型和裂隙网络模型。这些 1 0 第一章绪论 模型促进了岩体水力学向定量化方向发展【鹋1 。但针对隧道开挖及修建支护结构 后围岩及衬砌范围的渗流场和应力场的耦合研究较少。文献【6 9 1 采用渗流理论， 用数值方法计算了围岩和衬砌范围内渗流场，并比较了几种排水方案下的渗流 场渗流体积力的分布。 总体来说，针对深埋高水压隧道工程的渗流理论的三维模型试验资料缺乏， 渗流理论与围岩内的渗流场以及在衬砌周围渗流场或水压力的分布规律还要通 过试验进行验证和分析，注浆加固圈是否可以减少衬砌上的外水压力，各层分 担水压力的大小和规律还需要用试验和现场测试来验证。 1 3 研究背景与研究方法 本课题结合国家自然科学基金雅砻江水电联合研究基金一四因素体系平衡 机理及隧道( 洞) 抗水压作用研究( 编号：5 0 5 7 9 0 9 7 ) ，以锦屏水电枢纽二级 水电站交通辅助洞与引水隧洞为工程背景，通过试验手段获取四因素体系平衡 机理的相关数据，然后利用公式推导及理论分析等手段获取各因素间相互作用 规律。 本研究中采用现场反析、室内试验与理论研究相结合的研究方法： ( 1 ) 试验：通过现场取样，对标准岩样，采用应力应变全过程试验、常规 三轴渗透试验、复杂路径下的三轴渗透试验、破裂后注浆岩样的三轴渗透试验， 分析试验结果，结合已有研究资料，综合确定各因素对体系的贡献 。 ( 2 ) 理论分析：基于地下水动力学理论，建立计算模型，推导隧道外水压 力、涌水量的计算公式，并结合试验手段进行深入分析，对公式进行修正。利 用解析公式计算并分析各因素体系对隧道衬砌外水压力的影响规律，运用有限 元计算软件a n s y s 分析典型剖面衬砌的受力，为支护结构的设计提供参考依 据。 第一章绪论 1 4 技术路线 本文研究的技术路线参见图1 5 。 陌历习 f 文献、科f i 研报告i 1 5 主要工作内容 解析解原型 公式推导 加入因素修正 修正后解析模型 加固圈质量 对外水压力 的影响 隧道排水率 对外水压力 影响 衬砌受力分析 辅助设计 研究技术路线图 1 、通过大理岩的全过程应力应变试验，获取了不同围压条件下大理岩的 应力应变全过程曲线，分析了体积应变、轴向应变、环向应变与应力之间的关 系，对比了不同围压条件下体积应变与轴向应变的关系以及体积应变与环向应 变的关系。结合已有资料，分析了大理岩峰值强度与围压、水压之间的关系。 2 、通过岩样的三轴渗透试验，获取了大理岩试样在不同围压下应变应力、 应变渗透率关系曲线，在此基础上归纳总结了曲线的特征形态，分析了围压对 渗透率峰值的影响，对典型试验结果进行了分段拟合，得到了特定条件下渗透 率一应变的耦合关系式。 3 、设计了两种复杂应力路径下岩样的渗透试验，分别获取了大理岩岩样在 1 2 一加 哥一l静嚣 磊相| | _ = 几一 一样合验i |一岩胶试| |一隙浆流| |一裂注渗= 第一苹绪论 围压先升后降以及先降后升状态下渗透率随围压变化的规律，对试验数据进行 了分阶段拟合，为后续试验提供了对比依据。 4 、根据现有资料配制了稳定浆液，采用特殊办法对试验破裂后岩样进行了 粘合，制作成胶合后试验试件；经过反复试验，在多种复杂应力路径下( 改变 轴压、改变围压、改变渗透压) ，得到了相应条件下应力、应变和渗透率之间 的关系；通过数据对比，研究了注浆对岩样渗透率峰值的影响，结合应力路径 图研究了围压、孔压、渗透压对大理岩胶合试件渗透率的影响。 5 、通过地下水动力学理论，建立计算模型，推导隧道外水压力、涌水量的 计算公式，并结合试验手段分析结论，对公式进行修正。利用解析公式计算并 分析各因素体系对隧道衬砌外水压力的影响规律，运用有限元计算软件a n s i s 分析典型剖面衬砌的受力，进行支护结构的辅助设计。 1 6 篇章结构 本文共六章。第一章为绪论，绪论主要论述研究的必要性，综述目前四因 素体系的研究现状、研究内容、技术路线以及创新点。第二章介绍论文依托项 目的工程背景及工程地质条件，以及与本论文研究的相关工程资料等。第三章 主要介绍大理岩岩石试件的应力应变全过程试验、三轴渗透试验，并分析试验 结果。第四章主要介绍破裂注浆胶合岩石试件的三轴渗透试验，分析注浆对岩 石渗流的影响。第五章运用解析公式计算隧道外水压力及涌水量，分析各因素 对衬砌外水压力的影响，对解析公式进行耦合修正，优选加固圈厚度与渗透参 数，运用有限元软件计算支护结构内力，进行辅助设计。第六章为结论及展望。 1 3 第二章工程地质条件 第二章锦屏水电枢纽二级电站隧道( 洞) 工程及地质条件 抗水压隧道中的外水压力作用，除了与人类活动密切相关外，还与工程建 址的地质、水文地质、设计、施工等密切相关。本研究以锦屏水电枢纽二级水 电站交通辅助洞和引水隧洞工程为依托工程背景。以下简介工程背景、工程地 质条件、水文地质条件以及与四因素平衡体系相关资料。 2 1 工程概述 锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处 的雅砻江干流锦屏大河湾上( 图2 1 ) ，是雅砻江上计划兴建的一座以发电为开 发目的超大型引水式地下电站，是西电东送的骨干电站之一。已经兴建的二滩 水电站是它下游的第二个梯级水电站，位于锦屏二级水电站闸址上游7 5 k m 处 具有年调节能力的锦屏一级水电站是雅砻江下游规划的5 个梯级电站的龙头梯 级，目前已开工建设。 图2 1 工程地理位置图 1 4 第二罩工程地质条件 锦屏二级水电站利用雅砻江1 5 0 k i n 长的大河湾，截弯取直，开挖隧洞集中 水头引水发电。电站最大水头3 2 1 0 m ，额定水头2 8 8 0 m ，共安装八台混流式水 轮发电机组，单机容量6 0 0 m w ，总装机容量4 8 0 0 m w 。电站枢纽主要由首部拦 河闸、引水系统、地下厂房三大部分组成，为一低闸、长隧洞、高水头、大容 量引水式电站。首部闸址位于雅砻江大河湾西端的猫猫滩，最大闸高3 4 0 i l l ；地 下厂房位于雅砻江大河湾东端的大水沟，采用尾部开发方式；引水系统由电站 进水口、引水隧洞、上游调压室、高压管道、尾水出口事故闸门室以及尾水隧 洞等建筑物组成。电站进水口位于闸址上游侧约2 9 k i n 处的景峰桥，首部枢纽 采用闸坝与进水口相分离的布置方案。引水隧洞洞线自景峰桥到大水沟，采用4 洞8 机的布置方案。 、 - r + + + 十f 一- _ 一 唰水稠割西文通瀹削西 o g 剑 图2 2 隧道纵剖面图及衬砌结构图 本工程的关键技术之一就是四条引水隧洞及两条交通辅助洞( 图2 2 ) 的设 计和施工。 四条平行布置、横穿跨越锦屏山的引水隧洞，从进水口至上游调压室的平 均洞线长度约1 6 6 7 k m ，中心距6 0 m ，洞主轴线方位角为n 5 8 0 w ，开挖洞径1 3 m ， 引水隧洞全线埋深较大，一般埋深为1 5 0 0 2 0 0 0 m ，最大埋深约2 5 2 5 m 。由于地 形条件的限制，其间没有条件布置施工支洞。引水隧洞立面为缓坡布置，底坡 】5 第二章工程地质条件 3 6 5 ，由进口底板高程1 6 1 8 0 0 m 降至高程1 5 6 4 7 0 m 与上游调压室相接，其东 端与辅助洞结合段( 两洞的底高程相同) 长度约为4 3 8 k m 。引水隧洞单洞( 两 台机组) 最大引用流量为4 6 5 m ，钢筋混凝土衬砌洞径1 1 8 m ，马蹄形断面， 流速4 1 l m s 。喷锚支护段洞径1 2 6 m ，马蹄形断面，底拱8 0 。范围内采用混凝土 衬砌，流速3 7 7 m s 。 十一l + 一一堕一+ 一l 十塑一+ 一盟一一+ 图2 3 引水隧道与交通辅助洞纵剖面位置关系图 另外，为满足锦屏一、二级水电站对外交通及锦屏二级水电站长引水隧洞 地质勘探、科研试验、旌工和运行管理的要求，拟修建一条从大水沟至景峰桥 的锦屏水电枢纽辅助洞。辅助洞位于拟修建的锦屏二级水电站引水隧洞线的南 侧，全长约1 7 5 k m ，与隧洞间距6 5 m ，与引水隧洞呈平行布置，一般埋深为 1 5 0 0 - 2 0 0 0 m ，最大埋深达2 3 7 5 m ，由两条平行的单车隧道组成，中心距为3 5 m ， a 线辅助洞成洞断面宽5 5 m ，净高4 5 m ；b 线辅助洞成洞断面宽6 0 m ，净高5 0 m 。 纵断面呈”人”字坡，隧道西端进口设于西雅砻江的二级电站景峰桥进水口上游约 8 0 0 m 出，高程1 6 5 7 0 m ；隧道东端出口设于二级电站大水沟厂址以南约1 0 0 0 m 处，高程1 5 5 8 6 m ，最大纵坡为2 5 ，最小纵坡为o 2 。 2 2 工程地质条件 锦屏二级水电站地处青藏高原向四川盆地过渡的地貌斜坡地带，锦屏山以 近南北向展布于河湾范围内，山势雄厚，重峰叠嶂，沟谷深切，主体山峰高程 4 0 0 0 m 以上，最高峰4 4 8 8 m ，最大高差达3 0 0 0 m 以上。工程区的地貌可以划分 为高山区( 高程3 6 0 0 m 以上) 、中部山区( 高程2 0 0 0 3 6 0 0 m 以上) 、峡谷区地貌。 2 2 1 地层岩性 引水隧洞及交通辅助洞沿线所穿越的地层均为三迭系地层，即为t l 、t 2 y 、 1 6 蕈i o 薹i o 薹| o 盯 孓糯 “ 蝌j 葡 嚣 ， 山瓤下l 第二章工程地质条件 、黾、t 3 ；地层总体走向以n n e 向为主。现就各地层的岩性分述如下： ( 1 )三迭系下统( t 1 ) 该地层主要位于工程区的西部，岩性复杂，由黑云母绿泥石片岩、变质中 细砂岩夹薄层状大理岩、砾状或条带状大理岩等组成。 ( 2 )盐塘组( t 2 y ) 主要分布在东雅砻江