压力输水隧洞围岩最小覆盖厚度研究方法

刘阳

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021）

压力输水隧洞围岩最小覆盖厚度研究方法

刘阳

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021）

压力隧洞充水运行后，低压时，隧洞衬砌不开裂，保护围岩；内水压力上升到一定程度后，钢筋混凝土衬砌开裂，内水外渗，95%以上的压力由围岩承担，压力隧洞最小覆盖厚度问题，转化为隧洞内水外渗的岩体稳定问题。文中对压力隧洞最小覆盖厚度的判据及研究方法进行了总结、分析。提出了应用渗流体积力研究隧洞衬砌，采用渗流应力耦合的方法分析围岩稳定，确定岩石最小覆盖厚度，并提出了研究发展方向。

水工隧洞；衬砌；覆盖厚度；渗透失稳；渗流应力耦合

有压浅埋输水隧洞，在较大内水压力作用下，普通钢筋混凝土衬砌承受拉应力。由于混凝土的抗拉强度和延展性很低，当衬砌拉应力过大时，衬砌裂缝难以避免，混凝土开裂后，内水外渗，根据相关资料推荐的公式计算，衬砌所消耗的渗流水头是很小的，95%以上的内水压力都消耗在外部围岩上。衬砌隧洞虽然与不衬砌有压隧洞有区别，但内水外渗仍然可能导致围岩失稳，要使隧洞保持稳定，并不因渗水过大而不能正常运行，同样需要保证隧洞有足够的埋深，同样存在隧洞岩石最小覆盖厚度问题。

1 确定压力隧洞围岩最小覆盖厚度采用的准则

1.1 挪威准则

现行 SL279-2002《水工隧洞设计规范》及 DL/T5195-2004《水工隧洞规范》岩石最小覆盖厚度推荐采用挪威准则。

挪威准则确定的隧洞埋深与围岩厚度、容重等有关，隧洞垂直和侧向最小覆盖厚度确定为不包括覆盖层的强风化线以下岩石，计算公式尚未考虑岩体强度、裂隙、渗透系数、节理构造、地下水位等关系到岩体渗透稳定的重要因素。

从国内类似工程实践表明：对于浅埋隧洞的围岩结构，开挖隧洞后，围岩的构造应力释放较快，水平方向的应力为垂直方向应力的 1/3 或更少，沿垂直方向很容易发生水力劈裂，且劈裂可追踪到地面而产生严重渗漏。

因此，对于挪威准则，一般作为有压浅埋隧洞的第一个初始判定条件，作为初步确定岩石最小覆盖厚度及是否采用抗裂式衬砌型式（预应力衬砌或钢板衬砌）的判定依据之一。

1.2 水力劈裂准则

隧洞围岩的完整岩块透水性微弱，水在岩体中的运动主要是通过岩体中的裂隙或节理。隧洞是在岩体中开挖形成的，总会有裂隙与隧洞周边相交。隧洞衬砌内水外渗后，外渗后的内水压力大于裂隙法向应力，裂隙法向应力将变为拉应力，裂隙张开，即所谓的水力劈裂。该准则意义明确，但需要对每个与隧洞相交的裂隙均有详实的地质勘察数据，对于隧洞工程而言，特别是长距离调引水隧洞工程，实际工作中是很有难度的。

对于水力劈裂准则的应用，应根据现有地质勘察探明情况，结合将要讨论的隧洞围岩是否具备承担内水压力的能力，岩体渗漏量及可能抬升的地下水位，综合分析判定。在实际施工过程中，如果发现有之前尚未探明的可构成排水通道的节理裂隙，就存在形成渗漏通道的可能性，根据具体实际情况，调整设计。

1.3 初始应力场最小主应力准则

隧洞的洞周围岩应力分析以下几种情况：①洞周围岩强度满足隧洞一次应力场及隧洞开挖后的二次应力场；要求沿线任一点的围岩最小主应力 σ3，大于该点洞内静水压力，并有 1.2～1.3 倍的安全系数（该准则由挪威德隆汉姆大学提出）；②洞周围岩强度满足一次应力场，但并不满足二次应力场，但围岩完整、构造不发育，施工中开挖尚未发现有可构成排水通道的节理裂隙岩体、透水率较小等前提下，稍远处的一次应力场，可以控制渗漏和水力劈裂发展；③存在岩体渗漏量稍大，对围岩进行灌浆，灌浆后以节理的实际法向应力大于内水压力控制设计，且附近为农田、无村屯及城市建筑分布，水系补排条件可安全下泄渗漏流量。其中①考虑采用一般防渗措施、②③考虑采用严格防渗措施，但可适当缩短范围。可以通过工程类比和有限元分析，进行综合分析判别。当不能满足上述要求时，且内水外渗危机隧洞、临近建筑物及边坡的安全时，建议采用抗裂设计原则。

2 隧洞防渗设计原则及衬砌型式选择

现行水工隧洞规范规定：隧洞衬砌结构设计原则可分为抗裂设计（严格防渗要求）、限制裂缝开展宽度设计（一般防渗要求）和不限制裂缝开展宽度设计（无防渗要求）。

当围岩抗渗能力差，内水外渗造成的危害（围岩、边坡、相邻建筑物的渗透失稳或环境破坏），处理费用大或很难处理时，提出严格防渗要求（抗裂设计），抗裂设计可以采用预应力钢筋混凝土衬砌或钢板衬砌，现阶段钢板衬砌的总造价要高于预应力衬砌，因此在目前国内的已建大型工程中，采用预应力衬砌型式较多。

总之，隧洞围岩满足最小覆盖厚度要求，则采用限裂式衬砌型式；不满足最小覆盖厚度要求，采用抗裂式衬砌设计。

3 研究方法

研究隧洞围岩最小覆盖厚度及采用哪种衬砌型式，离不开隧洞应力场中渗流水荷载的研究——压力隧洞内水外渗组合隧洞外水压力渗流场分析。

3.1 内水外渗影响分析要考虑渗流场的水荷载历史

隧洞围岩覆盖层较浅，隧洞衬砌裂缝，内水外渗后，裂缝两侧的衬砌单元环向拉应力得到释放。内水压力以体积力的形式作用于衬砌和围岩，其中以围岩受力为主。内水外渗影响分析与渗流场的水荷载历史有关。内水外渗可能抬高地下水位线，改变渗流场。地下水位的抬升与隧洞渗水压力、洞顶岩体（覆盖层）渗透系数、隧洞直径及原地下水位有关。

渗透压力及内水外渗的边坡是否稳定，取决于围岩渗透性和渗后围岩强度。由于衬砌与围岩都是透水的，隧洞内水外渗与原有的地下水位形成新的渗流场，水荷载以渗流场力的形态作用于地下水位以下的空间，构成空间渗流场力。

3.2 渗流场分析采用方法

隧洞开挖前的渗流场几乎是均匀的，相应于它的渗透力可以忽略，岩体仅受自重与浮力的作用，存在初始渗流场 H0；隧洞开挖后，洞壁的边界条件改变了，岩石中形成稳定渗流场 H1，此时在渗流场增量△H1=H1-H0的作用下，产生开挖渗流场应力增量，此时围岩的应力为两者叠加。隧洞衬砌完成后，由于其阻水作用，边界条件改变，形成新的渗流场 H2，这时衬砌和围岩只承受相应于渗流场增量的渗流场力荷载△H2=H2-H1，而不是相应于 H2的渗流场力。对隧洞充水以后形成渗流场 H3，隧洞开挖后衬砌前的渗流场荷载已经被围岩所承担，衬砌以后渗流场的改变，衬砌只承受渗流场增量△H3=H3-H1荷载。

当内水水头高于地下水位静水时，内水外渗只改变渗流场，一般对地下水位影响很小。若无排水设施，则衬砌的外缘水头小于内水压力；在内水压力作用下，衬砌将出现新的裂缝，或原有裂缝缝宽扩大，衬砌的渗透系数将显著加大，此时外水压力接近内水压力。

3.3 数学模型

对隧洞衬砌和围岩进行渗流场和应力场耦合分析来代替常规的应力单场计算，裂隙岩体弹性损伤本构方程为：

式 中 ：C0为 无 损 岩 体 的 柔 度 张 量 ；Cd为 裂 隙 损 伤 引 起 的

ijklijkl

柔度张 量 ；Cwijkl为 裂 隙 水 渗透 压 力 引 起的 柔 度 张 量；σkl为 应力张量 ；Coij-kld

-w为耦合柔度张量。稳定状态下的渗流力学模型为：

式中：H 为渗流场中任一点的 z 水头；Kxx，Kyy，Kzz分别为各方向渗透系数；Q为源项。

4 结论及展望

浅埋压力隧洞岩石最小覆盖厚度分析，归结为隧洞衬砌及周边围岩的应力——渗流分析。

目前，国内对隧洞围岩的渗流分析，因解析解答极为困难，建议采用渗流——应力耦合有限元数值计算。通过应力场与渗流场耦合有限元分析，采用上述原则及方法，模拟内水外渗后渗流场变化，分析渗流体积力，以增量渗流荷载分析隧洞围岩应力，采用 Mohr-Coulomb 本构模型。微细裂隙岩体按照等效连续介质模型处理，岩体裂隙及衬砌裂缝宽度随渗流场及应力场相互变化的影响，应用立方定理将微裂缝的宽度转换为渗透系数来考虑。

采用国内外学者在均匀各向弹性介质和径向渗透假设下，引入的有效应力原理分析围岩、水压力分布，采用正交各项异性岩体有效应力定律，分析岩体的稳定。判断围岩强度及内水外渗的不利影响，确定隧洞岩石最小覆盖厚度，这是目前隧洞研究领域的发展方向。

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