隧洞衬砌结构计算中外水压力取值方法

丰 飞 ，王 倩 ，高凤艳

（1.国家开发银行吉林省分行，吉林 长春 130000；2.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130000；3.辽源市水务局，吉林 辽源 136200）

某工程总干线全长110 km，其中隧洞全长97 km，占线路全长的88%。因此，隧洞衬砌结构设计成为整个工程的关键所在，而隧洞结构计算中荷载的取值成为重中之重。

总干线隧洞最深高达530 m，地下水位最高达440 m水头压力，故荷载中外水压力的取值成为设计过程中十分棘手的问题。合理分析估算作用在隧洞衬砌外表面的外水压力对工程影响很大，是深埋隧洞工程地质勘察的重要任务之一。

1 外水压力的取值方法

目前国内对外水压力取值的分析方式，主要采用两种方法：一种是把外水压力当作面力；另一种是外水压力当作体积力。前一种是隧洞规范中推荐的方法，也是常规设计中经常采用的方法，这种方法概念简单，便于用结构力学法或弹性力学法进行分析计算。后一种方法是采用渗流场理论，较符合外水压力作用的实际情况，但是洞周的岩石节理以及裂隙情况错综复杂，很难准确模拟实际情况，因此带来得计算结果与实际受力情况之间的差别，很难去把握。

通常，在设计工作中把外水压力当作面力处理，一般情况下，地下水位线可根据工程水文地质条件并结合水工隧洞布置分析确定，关于外水压力的取值，有如下几种方法：

1.1 按照规范选取

根据SL279-2002《水工隧洞设计规范》规定，作用在混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土结构上的外水压力，可以按照下式估算：

式中：Pe——作用在衬砌结构外表面的地下水压力，kN/m2；βe——外水压力折减系数，可按表1确定；γw——水的重度，kN/m3，一般采用9.81 kN/m3；He——地下水位线之隧洞中心的作用水头，m，内水外渗时取内水压力。外水压力折减系数见表1。

表1 外水压力折减系数表

1.2 推荐的的隧道外水压力估算方法

对无压隧道或有压隧道检修工况，作用于衬砌的外水压力建议值按下式估算：

式中：β1——初始渗流场（隧道开挖前）隧道轴线处外水压力修正系数；β2——考虑衬砌与围岩渗透系数相对值对外水压力的修正系数；β3——考虑衬砌与围岩渗透系数相对值对外水压力的修正系数。

1.3 水荷载量值的计算

作用在衬砌上的外水压力，主要取决于岩体的渗透系数K1与衬砌的渗透系数K2的比值。

式中：HB——衬砌外缘外水压力水头，m；HA——外水全水头，m；r1——地下水面至洞中心距离，m；r2——衬砌外半径，m；r3——隧洞内半径，m；K1——岩体的渗透系数；K2——衬砌的渗透系数。

1.4 某工程选用计算方法

由以上分析可以看出，规范折减系数范围比较大，在外水总水头较高的情况下，选用较小值和较大值对外水荷载影响很大。

《水利水电工程地下建筑物设计手册》中公式计算确定水荷载量值的方法，实际和《岩石水力学与工程》推荐的隧道外水压力估算方法中β2中的公式是等效的。

某工程采用《岩石水力学与工程》建议的隧道外水压力估算方法。

2 某工程外水压力取值

1）渗透系数K与透水率q之间的转换关系。由于公式中采用渗透系数K，而地勘提供的是岩层的透水率q，严格的讲，渗透系数K与透水率q间并无固定关系。但有时为考虑问题或设计计算方便起见，希望能找到它们之间的近似关系。通过实践，大致有以下几种认识：

①国外资料认为：1 L/（min·m·m）=1.3×10-3cm/s。

②国外有些学者和单位给出了渗透系数K与单位吸水量值的相关关系图，见图1。可以看出：当K=10-7m/s（即 10-5cm/s）时，单位吸水量值大约为0.01～0.03 L/（min·m·m）；当K=10-5m/s（即10-3cm/s）时，各曲线的单位吸水量值均大于0.3 L/（min·m·m）。

图1 渗透系数K与单位吸水量的关系曲线

③DL/T5200-2004《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》10.1.7条文说明：如需进行透水率q与渗透系数K之间的换算，可参考下列关系式：

地层透水率 q 为 0.01 L/（min·m·m）时，约相当于渗透系数K为1.3×10-5cm/s。

若要求 K=i×10-6cm/s，则可取 q＜0.01 L/（min·m·m）。

若要求 K=i×10-5cm/s，则可取 q=0.01～0.05 L/（min·m·m）。

若要求 K=i×10-4cm/s，则可取 q=0.05～0.2 L/（min·m·m）。

2）采用钻孔数据q值换算成K，按照公式进行计算衬砌外缘外水压力值,不满足设计要求处进行灌浆处理。

3 结语

在隧洞工程不同勘察设计阶段，应运用不同的外水压力确定方法。该阶段按照以上计算方法确定外水压力，可以认为是初步的判定；在施工阶段，根据地下水活动状态确定外水压力折减系数，可以认为是复判，具有验证、修正和完善的意义。

［1］张有天.岩石水力学与工程［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.

［2］张有天.水工隧洞及压力管道外水压力修正系数［J］.水力发电，1996（12）.

［3］湛正刚，张晋秋.水工隧洞外水压力设计分析探讨［J］.贵州水力发电，2000（12）.

［4］宋岳，贾国臣，腾杰.隧洞外水压力折减系数工程地质研究［J］.水利水电工程设计，2000（12）.