高水压富水山岭隧道不同排水率的分析研究.pdf

第 5 8卷第 1 2期 2 0 1 4年 1 2月 铁 道标准 设 计 RAI LW AY S TANDARD DESI GN Vo 1 58 NO 1 2 De c 201 4 文章编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 1 1 3 0 3 高水压富水山岭隧道不同排水率的分析研究 姚俊峰 ，杨其新 ，蒋雅 君 ( 西南交通 大学交通隧道工程教育部重点实验 室 ，成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要 ： 以某 富水 区山岭 隧道 为工程 背景 ， 通过 建立有限元地层结构模 型 ， 对 隧道 结构在 高水压 力作 用下的 力学行 为进行模 拟分析 ， 得 出排 水率对衬砌 外侧 水压 力分 布规律 以及 衬砌 结构 受力 情况 变化规 律的 影响 。研 究结 果表 明： 通过 改变排 水卒可以有效降低衬砌外侧水压 力， 但过低的 降低排水率 ， 衬砌 外侧水压力 降低效果 不明显。 关键 词 ： 山岭 隧道 ；排 水率 ；水压力 ；衬砌受力 中图分类号 ： U 4 5 1 文献标识码 ： A D Ol ： 1 0 1 3 2 3 8 j i s s n 1 0 0 4 2 9 5 4 2 0 1 4 1 2 0 2 7 S t u dy o n t h e Di f f e r e n t Ra t e s o f Dr a i n a g e o f M o un t a i n Tun ne l s i n Hi g h W a t e r Pr e s s u r e a nd W a t e r - e nr i c he d Re g i o n Y AO J u n f e n g ， Y A N G Q i x i n ， J I A N G Y a j u n ( MOE Ke y L a b o r a t o r y o f T r a n s p o r t a t i o n T u n n e l E n g i n e e r i n g ，S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a ) Abs t r a c t：Th i s pa p e r ，b a s e d o n t h e e ng i n e e r i n g p r a c t i c e s o f mo u n t a i n t u nn e l s i n h i g h wa t e r p r e s s u r e a n d wa t e r e n r i c h e d r e g i o n，s i mu l a t e s a n d a n a l y z e s t he me c h a n i c a l b e h a v i o r o f t h e t u nn e l s t r u c t ur e i n h i g h wa t e r p r e s s u r e a n d wa t e r e n r i c h e d r e g i o n b y e s t a b l i s h i n g a fin i t e s t r u c t ur a l mo d e l wi t h s o i l l a y e r s Th e e f f e c t s o f t h e r a t e o f d r a i n a g e o n t h e e x t e r n a l wa t e r pr e s s u r e o n l i n i n g a n d o n t h e s t r e s s o f l i ni ng s t r u c t u r e a r e i d e n t i fi e d T h e s t u d y r e s u l t s s h o w t h a t a d j u s t i n g t h e r a t e o f t h e d r a i n a g e c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e e x t e r n a l wa t e r p r e s s u r e o n l i n i n g，b u t t h e r a t e o f t h e dr a i n a g e t o o l o w r e d uc e s t h e e x t e r n a l wa t e r p r e s s ur e o n l i n i n g l e s s o bv i o u s l y Ke y wo r d s：Mo u n t a i n t u n n e l ；Ra t e o f d r a i n a g e；W a t e r pr e s s u r e；S t r e s s o f l i n i n g 1 概 述 长期 以来 ， 隧道水荷载计算及地下水治理是 隧道 工程界的一 大难题 ， 也是地下 工程亟需解 决的 问题。 关于水荷载发表了不少相关文献 ： 宋超业等在海底 隧 道衬砌水荷载计算中分析 了水荷载作用机理 ； 汪磊 等 在海 底 隧道预 注 浆加 固效 果 与 评 价 中 ， 分 别 用 公 式 法 、 数值 模 拟 及 实 验 方 法 对 注 浆 效 果 进 行 研 究 ； 王 建 秀等 在深 埋 隧道 衬砌 水 荷 载计 算 的基 本 理 论 中 ， 对 渗流场和外水压力作用 系数进行 了研究 ； 何 明磊等 结合解析解与数值解分析研究 了衬砌厚度 、 注浆圈渗 透系数与注浆圈厚度等因素对隧道衬砌水压力荷载及 内力的影响 ； 郭瑞 、 周晓军基于 F l a c 3 D流 固耦合机 理研究 了注浆圈渗透系数、 注浆圈厚度、 衬砌渗透系数 收稿 日期 ： 2 0 1 40 30 5 ；修 回日期 ： 2 0 1 40 41 8 作者 简 介： 姚 俊 峰 (1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 硕 士 研 究 生 ， E- ma i l ： 3 9 8 1 8 4 7 0 7 qq co m O 及控 制排 水对 衬砌 水荷 载 的影 响并 与轴对 称解 析解 对 比分析 等。 随着隧道 的设计标准不断提高 ， 隧道防排水设计 应进一步加强其系统性 ， 排水与防水应紧密结合 ， 尤其 应 注重 隧道排 水 系统 对 防水 的基 础 性作 用 。 。 在以往富水区隧道 的建设过程中， 为有效降低衬 砌承担的水压力 ， 一般采用 “ 以排为 主， 堵排结 合” 的 方 法 。但 隧道排 水会 对周 围生态 造成破 坏 。特别 是 随 着我国可持续发展战略的推进 ， 讲究工程与周围环境 和谐 相处 ， 富 水 区 隧 道 必 须 采 取 “ 以堵 为 主 ， 堵 排 结 合” 的方针 。如此一来 ， 势必造成隧道衬砌 的外水 压 力增加 。因此 ， 研究分析衬砌外侧水压力的分配规律 ， 制 定合 理 的堵 排方 案 ， 将 直 接 影 响 到 隧道 的安 全 性 与 经济性。以某隧道为例， 通过数值分析 以及和模型试 验数据进行对 比的方法， 对不同方案下衬砌外侧水压 力分布以及衬砌结构受力进行分析研究。 1 1 4 铁道标准设计 第 5 8卷 2 数值 模拟 以某富水深埋 山岭隧道为工程背景 ， 该隧道埋深 8 0 0 m； 由于该隧道穿越区地质构造强烈 ， 部分区段围 岩破碎 ， 属 V级围岩； 同时构造 区内溶洞较多 ， 含 水 量 丰富 ， 最 大水 头约 为 4 5 0 m。隧 道 断 面为 圆形 ， 毛 洞 外径 为 1 2 0 m， 相应 力学 参数 见 表 1 、 表 2 。 表 1 围岩 力学参数 曩 翥 3 ) 比 零 材 料 厚 等 级( 0 ) G P a 泊 松 比 董 萎 衬砌0 6 C 4 0 2 5 0 0 3 0 0 0 2 2 9 5 2 7 采用 F L A C 3 D软件对隧道结构进行建模 ， 网格模 型如 图 1所示 ， 模 型尺 寸为 1 0 0 m 2 0 m 1 0 0 m， 而 上 部围岩垂直压力采用施加面力荷载 的方式实现 ， 侧边 施加 水平 向面力 边界 条 件 ， 底 部 采 用 固 定边 界 。 由 于 围岩 渗透 系数 较小 ， 隧道 开 挖 对 周 围 围 岩水 压 的影 响区域有限， 假定模型周围边界的水压值保持不变 ， 即 为 常水 头边 界 。衬砌 、 围岩 、 注浆 圈均采用 8节 点 四 面 体单元模拟 ， 采用摩尔一 库仑理想弹塑性本构模型。 图 1 水压力分布计算模型 为 了研究 限量排水 方 案下 隧道 衬砌外 侧 水压力 以 及衬砌 的受力特征 ， 定义排水率为实际排水量与排水 能力之 比 ， 设 置 以 下 几 种 工 况 ： ( 1 ) 全 封 闭 不 排 水 ； ( 2 ) 排水率 2 0 ； ( 3 ) 排水率 4 0 ； ( 4 ) 排水率 6 0 ； ( 5 ) 排 水率 8 0 ； ( 6 ) 全排 水不 封 闭 。 水力梯度最大， 排水管处水力梯度最小。随着排水率 的增加 ， 衬砌外侧水压力折减系数不断减小 ， 且大体呈 线 性关 系 。 表 3各 工况下 监测 点水压力折减 系数 餐 * 排水率， 图 2 不同工况下衬砌外水压力折减 系数 变化 曲线 4衬砌 结构 安全 性分 析 衬砌结 构 的安 全度 通 过 公 路 隧道 设计 规 范 ( J T G D 7 0 -2 0 0 4 ) 叫中的破 损 阶段法 来 判断 。 对混凝土矩形截面构件 ， 当偏心距 e 。 0 2 h时 ， 即 抗 压强度 控制 承载 力 N |= ( p 旺R a b h 式 中尺 混凝 土 的抗压 极 限强 度 ； 混 凝土 轴 向承载 力 ； 6 截 面 的宽度 ； 截 面 的厚度 ； 构件的纵 向弯 曲系数 ， 对 于贴壁式 隧道 衬 砌 、 明洞拱 圈及 墙 背紧 密 回填 的边墙 ， 可取 p=1 0； 轴 向力 的偏心 影 响系数 ， 其 计算 公式 为 O t =1 0+0 6 4 8 ( ( e 。 h )一1 2 5 6 9 ( ( e o h ) + 1 5 4 4 4 ( e ) 当偏心距 e 大于 0 2 h时， 即抗 拉强度控制承 载 3衬砌 外侧 水压 力分 析 。 1 7 5 R。 b h ， n 一 不同排水率工况下衬砌外侧各监测点的水压力折 一 6 e 。 减系数如表 3所示 ， 相应 的水压力折减 系数变化 曲线h 如图 2所示。可以看出， 在排水率一定 的情况下， 衬砌 式 中 R 混凝土的抗拉极限强度 ； 外侧水压力大体呈现 出拱顶处水压力最大 ， 排水管处 e 。 截面偏心距。 水 压力 最小 。这 主要 是 水 力 梯 度 不 同导 致 的 ， 拱 顶 处 安全 系数 第 1 2期 姚俊峰 ， 杨其新 ， 蒋雅君一 高水压富水 山岭 隧道不 同排水 率的分析研究 1 1 5 K V 式 中 截 面轴 向力 。 规 范 中规 定 了混 凝 土 结 构 的安 全 系数 的最 小 值 ： 抗 压 强度 控制 截 面承载 力 时 ， 安全 系数 取 2 4 ； 抗 拉 强 度 控 制截 面承 载力 时 ， 安全 系数 取 3 6 。 在不 同排 水率 工 况 下 ， 衬 砌 结 构 各 监测 点 在 不 同 工况下的弯矩 、 轴力计算值如表 4所示 。可以看出， 排 水率一定时 ， 衬砌各监测点的轴力值基本相同， 随着排 水率的增加 ， 衬砌外侧水压力的不断减小 ， 衬砌各监测 点轴力值也在逐渐变小 。 根据破 损 阶段 法计 算 出的各 监测 点在 不 同工况 下 的安 全 系数 如 表 5所 示 。可 以看 出 ， 6种 工 况 下 各 监 测点 位置 的偏 心距 均很 小 ， 小 于 0 2 h ， 所 以 均 为 混 凝 土 的抗 压 强度 控 制截 面 承载 力 。 随着 排 水 率 的 增 加 ， 衬砌 截 面 的 安 全 系 数 不 断 增 大 。且 当 排 水 率 小 于 6 0 时， 安全系数小于 2 4 ， 不满足规范要求。当排水 率大于 6 0 时， 安全系数大于 2 4 ， 满足规范要求。因 此 ， 在实际工程中， 应综合分析衬砌结构厚度 、 混凝土 强度等级 、 衬砌外侧水压力大小 以及不同防排水模式 的适用性 和 经 济性 等 因素 综合 确 定 排水 系 统 的排 水率 。 表 4不 同排水率工况下衬砌各监测点 内力 排 水率 拱 顶 拱肩 拱腰 拱脚 拱底 弯矩 ( k N m) 轴力 MN 弯矩 ( k N m) 轴力 MN 弯矩 ( k N m) 轴力 MN 弯矩 ( k N m) 轴力 MN 弯矩 ( k N m) 轴力 MN 5数值 解 与模 型试 验对 比分 析 为了验证数值法计算得 出的富水区山岭隧道渗流 场 分 布规 律 的正确 性 与 实 用 性 ， 将 数 值 法计 算 得 出 的 渗流场分布规律与模型试验得出的渗流场分布规律进 行 对 比分 析 ， 互 相 验证 ， 从 而为实 际工 程 中通 过调 节排 水 率来 控 制衬 砌外 侧 水 压 力 的方 法 提 供 依 据 与 保 证 。 本节引用北京交通大学杜朝伟 、 张鹏 卜 等人所做 的 模型试验数据 ， 分析试验结果 ， 总结渗 流场分布规律。 由于在用数值方法进行渗流场分析时所考虑的因素与 该模型试验所考虑 的因素不同， 导致衬砌外侧水压力 也不相 同， 所以本节 旨在研究渗流场分布规律的对 比。 根据 试 验方 案 ， 分 别 考虑 了排水 量 为 0 、 6 8 5 、 1 5 2 6 、 2 7 0 3 、 3 7 8 9 、 4 3 2 8 m L s 和 5 5 8 3 m L s 7种 工 况 下 的 衬 砌 外 侧 水 压 力 测 试 ， 分 别 对 应 的 排 水 率 为 1 1 2 2 7 2 7 3 3 、48 41 6 7 8 7 77 5 2 和 1 0 0 。 不 同工 况下 衬 砌 外 侧 水 压 力 折 减 系 数 见 表 6 ， 相 应的衬砌外侧水压力折减 系数变化 曲线如图 3所示 。 对 比图 2和 图 3可 知 ， 水 压 力 折 减 系 数 随着 隧道 排 水 率的变化趋势基本一致 ， 均呈现出随着隧道排水率 的 不 断增大 ， 隧 道衬砌 外 侧水 压力 折减 系数 不断 变小 ， 且 近似 呈线 性变 化趋 势 。 表 6各 工 况 下 监 测 点 水 压 力折 减 系数 排水量 ( m L s ) 监测点 拱顶 1 O O 0 8 6 0 6 6 O 3 8 0 2 1 0 1 4 O 0 8 拱脚 0 9 9 O 8 2 0 6 O 3 3 0 1 5 O 1 2 0 O 8 0 6 8 5 1 5 2 6 2 7 O 3 3 7 8 9 4 3 2 8 5 5 8 3 6 结论 通过对不同排水率的各种工况进行数值模拟分析 并与模型试验结果进行对 比， 可以得出如下结论 。 ( 1 ) 在排水率一定 的情况下 ， 衬砌外侧水压力 大 体呈现出拱顶处水压力最大 ， 排水管处水压力最小。 底一 拍 M 拱 一 m m 腰一 拱 一 吼 n 第 5 8卷第 1 2期 2 0 1 4年 l 2月 铁 道 标 准 设 计 RAI L W AY S TANDARD DES I GN Vo 1 58 De c NO 1 2 2 01 4 文章编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 1 1 6 0 4 高速铁路接触网接 口优化设计研究 吴 亚 飞 ( 中铁第一勘察设计 院集团有限公司 电气化设计处 ，西安7 1 0 0 4 3 ) 摘要 ： 结合具体工程 ， 就 高速铁路接 触网与线路 选线、 信号设备 、 轨道控制 网、 桥 梁声屏障 、 挡风屏 等接 口问题 ， 通 过计算 分析 ， 对接 13 3 7- 程进行优化设计 ， 以提 高工程建设质量 。 关键词 ： 高速铁路 ；接 触 网；接 口工程 ；优化设计 中图分 类号 ： U 2 3 8 ； U 2 2 5 文献标识码 ： A D OI ： 1 0 1 3 2 3 8 j i s s n 1 0 0 4 2 9 5 4 2 0 1 4 1 2 0 2 8 S t ud y o n Opt i mi z e d De s i g n o f Hi g h- S pe e d Ra i l wa y OCS S I nt e r f a c e Ab s t r a c t ： W i t h r e f e r e n c e t o e ng i n e e r i n g p r a c t i c e s， t h e i n t e r f a c e e n g i n e e r i n g i s o p t i mi z e d t h r o ug h c a l c u l a t i o n a n d a n a l y s i s t o i mp r o v e t he c o n s t r uc t i o n q ua l i t y i n t e r ms o f s u c h i s s u e s a s OCS， r o u t e 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 3 2 0； 修 回 日期 ： 2 0 1 40 61 9 作者简介 ： 吴亚飞 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 工程师 ， 2 0 0 5年毕业 于西南交通大学 工学学士 ， E m a i l ： 1 3 9 9 1 2 5 5 1 6 3 1 6 3 c o rn。 籁 垛 餐 妪 崮 苗 排水量 ( m s ) 图 3 不 同 工 况 下 衬 砌 外 侧 水 压 力 折 减 系数 变 化 曲线 这 主要 是水 力梯 度不 同导 致 的 ， 拱顶 处水 力梯 度最 大 ， 排水 管 处水 力梯 度 最小 。随 着排 水 率 的增 加 ， 衬 砌 外 侧水压力值不断减小 ， 且大体呈线性关系。 ( 2 ) 根据 公路隧道设计规范 ( J T G D 7 0 -2 0 0 4 ) 的破 损 阶段 法来 计算 衬 砌 结 构 的安 全 系数 ， 可 知 随着 排水率 的增加 ， 衬砌结构 的安全系数不 断增大。且对 于本 次 的数 值 模 拟 情 况 ， 当排 水 率 小 于 6 0 时 ， 衬 砌 结 构 的安全 性 不满 足规 范要 求 ， 当排 水率 大 于 6 0 时 满足规范要求。 ( 3 ) 通过对 比模型试 验结果 和数值模 拟计算 结 果 ， 可 以看 出随着 排水率 的增 加 ， 两者 的水 压力 分布 规 律基本一致 ， 相互验证。从而可以为实际工程中， 通过 数值方法计算衬砌外侧水压力随着排水率 的变化规律 提供 一定 程度 上 的依据 和保 证 。 参 考文 献 ： 1 宋超业 ， 周书 明， 谭志文 海底隧道衬砌水荷载计算 J 现代 隧道 技 术 ， 2 0 0 8 ( S )： 1 3 41 3 8 2 汪磊 ， 李涛 ， 王全胜 海底隧道预注浆加 固效果与评价 J 铁道标 准 设计 ， 2 0 1 0( 1 2 )： 8 3 8 8 3 王建秀 ， 杨立 中， 何静 深埋 隧道衬砌水荷载计算 的基本理论 J 岩石力 学与工程 学报 ， 2 0 0 2， 2 1 ( 9 ) ： 1 3 3 91 3 4 3 4 何明磊 ， 胡磊， 孟 祥磊 隧道衬砌水压力荷载及 内力研究 J 铁道 标准设计 ， 2 0 1 4， 5 8 ( 2 ) ： 7 9 8 3 5 郭瑞 ， 周晓军 水底隧道复合式衬砌 水压力影 响因素分 析 J 铁 道标准设计 ， 2 0 1 4， 5 8 ( 4 ) ： 7 8 8 2 6 马志富 铁路隧道防排水设计探讨 J 铁道标准设 计 ， 2 0 1 1 ( 5 )： 7 67 8 7 高新强 高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究 D 成都 ： 西 南交通大学 ， 2 0 0 5 8 潘建 明 高水压 山岭隧道衬砌水压力有限元分析方法 J 长沙铁 道学 院学报 ， 2 0 0 6， 7 ( 3 ) ： 2 1 02 1 3 9 张铎 ， 张莹 地下水不 同控 制排放方 案对 隧道结构 与环境 的影响 分析 J 铁道标 准设计 ， 2 0 1 2 ( 2 )： 9 5 9 8 1 0 中 华人 民共和 国交通 部 J T G D 7 0 -2 0 0 4 公 路 隧 道设 计 规范 S 北京 ： 人 民交通 出版社 2 0 0 4 1 1 杜朝伟 海底 隧道衬砌水压力及结构受力 特性究 D 北京 ： 北京 交通大学 ， 2 0 1 1 1 2 张鹏 海底隧道衬砌水 压力分 布规律 和结构 受力特 征模型试验研 究 D 北京 ： 北京交通大学 ， 2 0 0 8 m X m G _三 峨 m