隧道衬砌水压力计算及力学的特殊问题

隧道衬砌水压力计算及力学的特殊问题本讲主要内容：1、概述2、隧道衬砌水压力的计算问题3、隧道力学的特殊问题土木工程学院隧道工程系施成华一、概述

随着我国工程建设的发展，隧道越建越多，隧道所处的地质环境也越来越复杂，出现了越来越多的特殊问题。（1）富水隧道的水压力计算问题;（2）隧道施工的时空效应问题;（3）流固耦合计算问题；（4）温度场和应力场的耦合计算问题；（5）软弱围岩大变形的力学分析；（6）复杂空间隧道结构的计算问题;第8讲隧道力学的特殊问题—概述土木工程学院隧道工程系施成华一、概述

（7）隧道围岩的本构关系和屈服准则;（8）隧道围岩结构面的力学特性问题；（9）多层支护的力学分析问题；（10）隧道拆撑过程的力学分析问题；（11）高地应力隧道的岩爆问题；（12）隧道结构动力学问题（13）隧道工程问题的反演分析理论与方法（14）岩溶隧道的施工安全问题第8讲隧道力学的特殊问题—概述土木工程学院隧道工程系施成华二、隧道衬砌水压力计算理论

目前，国内外隧道工程对地下水的处理方式基本上可分：全封堵方式，堵水限排方式和排导方式三种。

全封堵方式为不设置衬砌背后的地下水排导系统，衬砌结构承受同地下水头相当的水压力；

排导方式为在衬砌后设置包括盲沟等地下水排导系统，衬砌不考虑水荷载的作用；

堵水限排方式是采取地层注浆等方式减少进入隧道内地下水排量，同时在衬砌背后设置排导系统，将进入隧道内的地下水排走，衬砌结构承受部分水压力。第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题土木工程学院隧道工程系施成华二、隧道衬砌水压力计算理论

在全封堵情况下，地下水静水压力并不因为岩土介质的渗透性有所降低而改变其传递规律，衬砌要承受同地下水水头基本相当的水压力，当隧道埋置较深，地下水水头较高时，隧道结构设计非常困难，并且不合理；

排导方式下隧道衬砌结构设计可基本上不考虑衬砌的水压力荷载，从而可使隧道衬砌设计得比较经济合理；第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题土木工程学院隧道工程系施成华二、隧道衬砌水压力计算理论

在堵水限排方式下，减少了地下水进入隧道内的排水量，对地表水环境影响较小，同时由于设置了排导系统，衬砌结构承受的外水压力可进行大幅度折减，使隧道设计更趋合理。因此，对于地下水位较高的深埋山岭隧道，隧道设计时通常采取“以堵为主、限量排放”的防排水原则。第8讲隧道力学的特殊问题—水压力的计算问题土木援工程孩学院乡丰隧道法工程旷系施成社华实现或限量狸排放滤的一幻玉种方质式是景在隧胳道的欣防排愤水系外统中芦安设牙一种控制给阀门。当断水压同达到闯一定介值时疫，阀桂门打幕开排括水，扔当水乡丰压低英于某否一值播时，刃阀门选关闭剪，这音种控义制排姓水系谎统在晒广州校地铁村隧道问中曾柱经使琴用过产，但床是由往于经脂常开却闭，惯阀门析极易种损坏挪，再公加上劈燕水中功含有姓大量肉泥砂盘，常夏常使听阀门剩堵塞榆，最头终失榴去控决制排术水功赞能，旦并使悲得衬扔砌背矮后水对压增休大造摘成衬亏砌破核坏。第8讲桂隧道阳力学箩的特芹殊问韵题—水压茂力的环计算炉问题二、皆隧道嘱衬砌成水压躁力计摸算理铺论土木脊工程拳学院庄隧道诵工程浆系施成吓华另一陪种控堵制排级放的凯方式抓主要价针对山区胜高水建位隧觉道，如戒岩溶健富水俗区，敏隧道的的设带计可得以采弟取多武道防少线、堵层层该设防舅，在饺隧道亿衬砌版外面否的围坊岩中排设计棍一定心厚度议的注揭浆堵全水圈宁，减怪少流触向隧揭道衬披砌背学后的黑总渗宝流量帝，再岂在隧歌道衬伸砌背为后设安置排咽水措常施排俗出剩贤余的酿水量技来降然低外亏水压消力。纠在这韵种方澡式下险，初述期衬寺砌和搏二次姓衬砌主之间缘瑞加设茅了防秩水板稼，二盈次衬樱砌是踪蝶防水满混凝严土，希因此慈，地族下水顿荷载惜在围拐岩和氏注浆粘加固凝圈中沃表现晨为渗宇流体骄积力卧，而汉在二绪次衬联砌上暖为边态界力献，可战以称诉为衬祥砌外得水压集力。第8讲仰隧道卷力学怨的特架殊问箭题—水压锤力的给计算咏问题二、猾隧道鸣衬砌缘瑞水压蜜力计倦算理回论土木曾工程检学院染隧道横工程蜜系施成翼华假定确围岩故为各因向同鼻性均归匀连晌续介狱质，氧隧道星为圆党形，逐地下僚水头鬼很高棚，设尾为H，水骂流为麻稳定煌流，界其运诊动规衔律服禁从Da俭rc婆y定理果。r0为衬笼砌内描径；r1为衬役砌外梳径；rg为注逼浆圈梢半径博；r2为远扮场距新离，今等于H；由束于衬堡砌厚堡度相免对于茄地下型水头炊较小厉，衬澡砌渗奸透力厨可以罚简化僚为作仔用在繁衬砌袜外缘它的表顽面力启，该跨表面赠力取餐该处神的孔敬隙水可压力勒。第8讲磨隧道料力学蚀的特贪殊问工题—水压季力的锹计算床问题1.限量督排放旨下的呼水压踏力理生论为了格求得隧道威排水遥量Q和衬睛砌及旦注浆弃圈外期缘的烛水压成力，考棕虑隧姓道所内处的仗地下籍水头刻很高孙，水颗流为挤稳定禽流，掀可根细据地贪下水驻动力平学理抢论，羊以无铜限含吵水层邀中的成竖井畜为例然进行妖理论兄分析嚼。土木奖工程京学院贝隧道掘工程爆系施成钟华基本垒假定蜘：（1）水饼层均祝质、秀各向膨同性怪，厚秘度不菜变，努分布姑面积猎很大南，可侍视为取无限僻延伸伴；（2）抽席水前倒的地驼下水防面是瓣水平毫的，俩并视谨为稳故定的婆；（3）含拦水层槐中的搏水流蒙服从Da熄rc涂y定律疫，并停在水海头下直降的枯瞬间朵水就犹马上桥释放第8讲存隧道远力学炊的特薯殊问旧题—水压茎力的寒计算猴问题1.限量美排放撒下的不水压哗力理腐论设承怨压含皂水层触中有龙一竖哀井，辞井的宪内半牵径为r0，衬芽砌外柔半径万为r1，由预于抽付水引县起了乏水头援降落午，井孝内径阀处水锤头为h0，外仓半径救处水检头为h1，远扎场稳品定水退头在蔬半径r2处，趴为h2；衬旅砌渗邀透系饮数为k1，围舞岩渗在透系抢数为k2。土木健工程盆学院世隧道司工程航系施成揭华水流钳有如启下特谁征：擦（1）水亿流为章水平祥径向饥流，浩即流葛线为淘指向疑井轴狗的径遵向直刘线，会等水材头面贞为以震井为捡共轴胡的圆殿柱面套，并暖和水刷平断的面一比致；阵（2）通乳过各焰过水项断面豪的流殃量处乏处相篮等，西并等啦于井烟的流哗量。该因此俘可取A-区A剖面拢进行嫩分析攀。第8讲使隧道默力学南的特夏殊问韵题—水压会力的屡计算泊问题1.限量赌排放莫下的睛水压财力理慢论此径纷向流浪的水度头分但布满障足La镜pl恩ac屿e方程毫，转漫换成掩柱坐渔标形往式，缘瑞并考球虑水肉流是隔水平沟对称没的，拥应有积分驴可得隆：土木关工程出学院虹隧道润工程夕系施成枝华设Q1为断畜面A-胀A处通着过围烂岩的司流量赢，即党当r1努<r山<r佛2时，绘有第8讲益隧道冷力学锻的特白殊问洽题—水压抵力的留计算丛问题1.限量病排放污下的兵水压挖力理棚论利用过分离爆变量喷法积输分，合引入誓边界柴条件r=甚r2给,h哈=h才2；r=责r1仙,h测=h讲1同理情，断料面A-匙A处通均过衬煌砌的源流量Q2为：土木肝工程及学院打隧道获工程镇系施成波华因为Q1柄=Q烟2=接Q，由爸此可注得：第8讲蛮隧道闷力学片的特便殊问她题—水压汁力的叹计算单问题1.限量劫排放秤下的纸水压芝力理许论当井进内无野内水萝压时h0涝=0，则则有砍：土木磁工程槐学院狸隧道劳工程错系施成乖华由于属假定脆围岩袋为各离向同分性均震匀连凉续介终质，贩隧道哗为圆陡形，漆地下柳水头异很高旷，水学流为胞稳定贿流，召这时示隧道去的排计水量Q和衬僵砌外暂水压租力P完全循可以视由上梢面求载得的h1和Q决定需。因荒此在纵无注霞浆情尊况下防，有第8讲佩隧道绑力学榜的特结殊问塑题—水压陶力的供计算要问题1.限量杆排放底下的鼓水压锐力理耗论土木德工程栏学院轮隧道毫工程妇系施成钉华在有买注浆谦圈情技况下遗，令kl为衬邀砌渗晨透系田数；kg为注若浆体诵渗透香系数夸；kr为围弊岩渗奖透系秆数，升可以够依照挎上述塔推导副过程甘建立摧方程第8讲为隧道物力学插的特壮殊问副题—水压氏力的艘计算芝问题1.限量偶排放姐下的布水压绝力理杨论土木桥工程屑学院死隧道典工程辞系施成员华由此陡求得赢：第8讲共隧道泼力学偶的特炸殊问浩题—水压软力的津计算熟问题1.限量投排放渡下的色水压姜力理磨论其中h1、hg为衬千砌和逝注浆桑加固般圈外义的水泄头，Pg为注来浆加祸固圈小外水将压力商。土木知工程迎学院撤隧道绞工程灾系施成课华宜万谣线野龄三关魔隧道艳，地桥层渗及透系完数Kr忍=0摩.0利36虾m/孝d,采用出单线16脱0k殿m/唐h断面云尺寸篮，设兽隧道唇为圆享形，r0慢=4四.8卵9m箱,r固1=必5.棍6m伯,地层寇渗透亲系数键与注烫浆圈械渗透耐系数羡之比筛为n。第8讲引隧道绩力学台的特规殊问酒题—水压慎力的距计算丢问题2.算例土木何工程萍学院非隧道铃工程害系施成政华第8讲简隧道戚力学塞的特沿殊问茧题—水压山力的呢计算款问题2.算例（1）当较采取造排水扎措施朽后，袋衬砌岁上水铁压随个排水庙量的经增加鸭而减液小；（2）注爱浆范悲围越筒大，闸注浆叫效果抵越好纤，衬习砌上株水压龄越小靠，注财浆圈详上的蕉水压蛋越大揉，但铜是当巩注浆泉范围偷大到萍一定洽程度持后，萄衬砌犹上水扛压随功注浆岭范围怜的增饥大变爸化已轿经不核太明阅显，日说明显注浆浓半径钱的选蜜取有棵一个叨合理推范围规。（3）在普衬砌衡渗透起性不休变的装情况愚下，戒注浆美范围君越大惧、注植浆效手果越劳好，拘排水返量可孔以越睛小，糊因此篮注浆合圈可禽以起翁到控买制排忙水的狐作用膀，给服定了转隧道雹某一引段的生合理最排放洁量以挨后，直就可困以确竟定注症浆的辨范围功和注墙浆水微平。土木央工程荷学院勾隧道辰工程演系施成蜜华无注蒙浆圈误时衬摩砌水凯压折塞减系苗数可驰以表救示为胜：第8讲附隧道妥力学栏的特瓶殊问奇题—水压怒力的北计算疾问题3.隧道脚衬砌吧水压闭力折体减系渡数有注步浆圈级时衬宪砌水参压折页减系怜数可皇以表竟示为真：（1）在御隧道氏开挖裤半径枪、衬袄砌厚前度一府定的毯情况饼下，弦无注或浆圈垃时衬省砌水秒压折梳减系她数与贝远场境水头H（这床里r2覆=H）以线及衬慕砌和澡围岩驶的相船对渗店透系因数有艺关，（2）有祸注浆断圈时闲衬砌复水压扭折减胀系数告不仅狸与远号场水掉头H（这咬里r2葡=H）、越衬砌斤和围状岩的悟相对依渗透爬系数强有关臭，还吗与注破浆半冒径以严及注兵浆圈竖渗透继系数纷有关孟。土木滥工程避学院哈隧道沃工程竟系施成桶华不考劲虑注伪浆时事衬砌芬水压眨折减款系数析表第8讲窗隧道股力学缩慧的特岛殊问换题—水压烫力的绵计算泛问题3.隧道惧衬砌由水压略力折滩减系满数当Kl抚/K萌r=船0即衬印砌基右本不照透水须时，言衬砌安上水添压不堡能折缝减；随着Kl振/K谋r的增聚加，访衬砌饼水压累折减马系数牙减小忆，说竞明衬怖砌上花水压狐在减振小；但当Kl讲/K善r=彼1时，躁并不岸等于0，而背且水丘头越茶小，亦越大某。由晓于Kl爽/K毁r=最1实际矿上类击似于卵毛洞率状况勺，地骂下水敌自由宫排放激，作膝用在题衬砌荡上的统水压市力不后为0。远场水头H(m)kl/kr00.0010.010.10.5150010.948540.648270.155630.035550.018130010.954310.676250.172790.04010.0204620010.958950.700240.189360.044630.0228310010.966980.745440.226510.055330.028455010.975140.796880.281780.072760.03775土木在工程秤学院点隧道痛工程庄系施成神华有注提浆圈雨存在证时，面衬砌货水压摇折减颜系数隶表第8讲甩隧道裕力学役的特宽殊问涌题—水压虚力的爆计算厦问题3.隧道戚衬砌预水压睡力折套减系膝数随着Kg存/K映r的减停小，征衬砌关水压粮折减稍系数招减小宿，说侮明注赠浆效炒果越公好，虽衬砌粘水压高越小栋。远场水头H(m)kg/kr0.00010.0010.010.10.515000.007540.070220.414960.815120.891540.902113000.007550.070280.417160.823690.901800.912622000.007550.070330.418940.830620.910110.921141000.007550.070420.422000.842740.924690.93607500.007550.070510.425100.855220.939740.95149土木课工程犹学院无隧道奖工程死系施成梦华第8讲凡隧道世力学海的特愧殊问漏题—问题飞讨论三、叼问题设讨论（1）富辈水隧玩道的欣水压动力计偷算问体题要点耀：（1）通烛常条费件下兼水压侄力的峰计算殊方法光；（2）施衫工阶斩段水援压力康的计鼠算，僻主要妻讨论洋隧道急施工镜工作鹊面在害动水盗压力例（渗掌透力摔）的帜作用可下的份稳定胃性的阁计算接分析仇；（3）使鸟用阶景段水挎压力犯的计轰算，救主要头讨论闪压力嘴水头待如何区折减蛾，作泻用在贴隧道晴衬砌卫结构晶上的杏水压捕力如良何计获算。土木晒工程捕学院倘隧道杏工程骗系施成拳华（2）隧倒道施起工的麻时空熟效应叉问题第8讲蜂隧道睁力学士的特择殊问俩题—问题步讨论三、踩问题肉讨论要点日：（1）什宽么是脑时空报效应隐；（2）隧墨道施拦工过逐程中映初始骂地应贝力释忌放的侦时间兔效应科和空呀间效敬应，（3）隧嗽道施聪工工纳作面张对隧也道初哥始应洪力释态放过活程的宁影响煮；（4）隧迷道施笑工过吵程中工隧道蹦洞周钳收敛含位移搂的时骡空效箱应。土木每工程骨学院驴隧道观工程蹲系施成诞华（3）流登固耦泻合计君算问收题第8讲拿隧道芝力学纱的特乡丰殊问太题—问题龄讨论三、期问题魄讨论要点路：（1）流浊固耦有合计旅算的榆常用仔方法组；（2）隧疲道结搬构流吴固耦轰合计蜜算的咳具体所流程屯；（3）流坏固耦黎合计热算的馒发展牢趋势材。土木赠工程心学院蔽隧道葵工程砍系施成奔华（4）软拨弱围尊岩大折变形冠的力葱学分稳析第8讲案隧道点力学招的特卫殊问享题—问题这讨论三、迫问题来讨论要点宾：（1）什仆么是任软弱远围岩累；（2）软趋弱围蠢岩大蜘变形凳的原律因与卡力学脱机制健；（3）软芒弱围彩岩大时变形忘隧道劲的常过用控亡制措轰施及垄其力左学机因制。土木决工程赚学院导隧道却工程为系施成抢华（5）复怨杂空口间隧菊道结孟构的胃计算庆问题第8讲念隧道纳力学递的特睁殊问绘题—问题称讨论三、袄问题凯讨论要点棋：（1）什性么是割软弱寨围岩予；（2）软掠弱围赤岩大扣变形圆的原栏因与脉力学怎机制委；（3）软御弱围个岩大要变形阔隧道薪的常篇用控冷制措骡施及僵其力励学机读制。土木蚁工程蚊学院杀隧道脉工程曾系施成盲华（6）隧世道围统岩的薄本构估关系欧和屈城服准爆则第8讲梅隧道来力学见的特都殊问仰题—问题羽讨论三、批问题促讨论要点搜：（1）什民么是养围岩纤的本忙构关锁系和沉屈服谊准则姑；（2）隧奴道围叔岩常炕用的粥本构纽奉关系傍；（3）隧宇道围