一种控制矿山法隧道二次衬砌水压力的方法与流程

本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种通过调整隧道衬砌背后排水层参数、设置泄压环等方式控制作用于隧道二次衬砌上的最大水压力的方法。

背景技术：

目前采用矿山法修建的隧道工程一般采用排水型衬砌或限制排放型衬砌，即二次衬砌背后沿着隧道纵向一定距离设置一道环向排水盲管(或排水板)，并在防水板背后铺设土工布，通过上述措施，将衬砌背后的围岩渗水引入到环、纵向盲管，然后再排入隧道内的水沟，防排水系统如图1及图2所示。如果衬砌背后的围岩渗水可完全及时排出，则二次衬砌可按照不承受水压力作用进行结构设计，如果衬砌背后积水按照限量排放设计，或由于排水盲管堵塞造成积水不能全部及时排出，则衬砌背后会存在一定的水压，相应的衬砌结构设计时需考虑按照全部水头或按全部水头折减后的部分水压力的作用。发表于《现代隧道技术》2003年第3期的“再谈隧道衬砌水压力”以及《北京交通大学学报》2004年第1期的“计算隧道排水量及衬砌外水压力的一种简化方法”等文献基于简化模型提出了隧道内排水量q和喷射砼外水压力p的计算方法，推导出了在二次衬砌外表面无水压力时，隧道内排水量和喷射混凝土外表面水压力的计算公式；根据同样原按照理也可推导出二次衬砌外表面存在一定水压力时水压力时，隧道内排水量和喷射混凝土外表面水压力的计算公式。

但是上述研究成果以及目前实际工程应用中均是按照横断面方向的平面模型进行计算，未考虑隧道防排水系统的空间效应，例如当隧道环向排水系统仅某一段完全堵塞或部分堵塞时，由于地下水可以沿二次衬砌与喷射砼之间的排水层(常用土工布)纵向流动，因而堵塞段实际的水压力会减小，而相邻的无堵塞段的水压力要大于0，如图3所示。假如按照目前常用的平面计算方法，即使隧道仅在局部一小段排水盲管完全堵塞，二次衬砌背后水压力值都很大，如果以此作为设计依据将造成不必要的浪费。

另外，按照既有设计理论，当堵塞段存在多种围岩和支护结构时，不同地段均按照平面模型计算，则会得出不同的水压力折减系数，出现沿着隧道纵向在地层变化分界断面出现水压力突变现象，而实际上排水层在纵向是贯通的，地下水必然从水压力高的地段往水压力低的地段流动，导致水压力重分布。

上述两种现象说明，既有计算理论及设计方法没有考虑隧道防排水系统的纵向效应(或空间效应)，这可能导致二次衬砌背后水压力取值偏小或偏大而给结构留下安全隐患或增加不必要的投资。

技术实现要素：

针对背景技术存在的问题，根据水在有空隙介质中渗流的基本原理，本发明的目的在于考虑隧道防排水系统的空间效应，研究得到隧道排水系统堵塞时，二次衬砌背后水压力沿着隧道纵向的分布规律，并表达出沿着隧道纵向衬砌背后水压力分布与基岩渗水量、衬砌背后排水层面积、渗透系数之间的函数关系，通过调整防排水系统设计参数、设置泄压环等措施，可以调整隧道二次衬砌背后水压力，并根据实际工程需要控制二次衬砌水压的最大值，为隧道结构设计提供理论依据，避免隧道二次衬砌结构设计出现过于保守或不安全的现象。

为达到上述目的，本发明提供的控制矿山法隧道二次衬砌水压力的方法，其特征在于，

计算考虑纵向效应的二次衬砌水压力：假设隧道横向排水系统堵塞段沿着隧道纵向位于平直段，从堵塞段中点至堵塞段端点纵向长度为l，其两端点处的水压力为0，则堵塞段的中点部位水压力最高，取为p；假设堵塞段沿程地下水渗入量为q1，排水系统堵塞后的排水能力为q2(q2＜q1)，地下水余量为q(q＝q1－q2)，该地下水余量沿初期支护与衬砌结构之间的空间流动；隧道排水层的总面积为a，渗透系数为k；根据对称性，取堵塞段的一半进行分析，取一个微元体考虑，按达西渗流公式：

x·q+q·dx＝-a·k·dp/dx(1)，式(1)两边对x积分得到：

引入边界条件，x＝0时，p＝p0；x＝l时，p＝0；则任一位置处的水压力为：

堵塞段二次衬砌最大水压力位于堵塞段中点，

最大水压力

根据式(4)，本发明通过以下三种方法之一或几种组合来控制矿山隧道二次衬砌水压力：

一、当排水层的总面积及其渗透系数、堵塞段长度一定时，通过控制地下水余量q来控制二次衬砌最大水压力；

二、当地下水余量q以及堵塞段长度l大小一定时，通过调整排水层的总面积a及其渗透系数k来控制二次衬砌水压力；

三、当地下水余量q、衬砌背后排水层的总面积a及其渗透系数k均一定时，通过改变堵塞段的长度l来控制二次衬砌最大水压力。

作为优选方案，针对第一种控制方法，由于地下水余量q等于沿程地下水渗入量为q1与系统排水能力q2的差值：

优选的，通过调整注浆止水圈的厚度或注浆止水圈的渗透系数来调整地下水渗入量q1。

优选的，通过调整初期支护喷射砼的厚度或密实度来调整地下水深入量q1。

优选的，通过改变纵向排水盲管管径来调整系统排水能力q2。

优选的，通过调整环向排水系统间距及排水管径大小来调整系统排水能力q2。

当然可以通过上述措施之一或其几种措施的组合来调整地下水余量q，实现对衬砌最大水压力的控制。

作为另一优选方案，针对第二种控制方法：

优选的，由于排水层的总面积a等于排水层沿着隧道衬砌外轮廓敷设长度和排水层厚度的乘积，故隧道轮廓一定后，通过改变排水层的厚度来调整排水层的总面积a，从而控制二次衬砌水压力。一般，排水层为土工布。

优选的，采用凹凸型排水板代替土工布来增加渗透系数k，从而降低二次衬砌水压力。

作为再一优选方案，针对第三种控制方法：

优选的，沿着隧道纵向间隔一定长度设置泄压环，将排水层截断，使地下水余量直接排放至洞内，从而起到降压的作用。

进一步优选的，上述间隔长度根据拟控制的水压大小计算确定。

进一步优选的，所述泄压环是指：在隧道拱墙部位的二次衬砌以及衬砌背后的防水板与排水层沿纵向均断开一段距离且隧道底部仰拱部位衬砌保持纵向连续形成的环向排水沟槽，并在所述环向排水沟槽处贴着二次衬砌内表面安装环向接水盒，并将通过排水层进入环向排水沟槽内的地下水引流进入到墙角的纵向水沟。

再进一步优选的，所述环向接水盒两侧与二次衬砌可拆卸连接。

再进一步优选的，所述环向排水沟槽的宽度根据检修需要确定，其范围为20～40cm。

本发明的有益效果是：本发明通过理论公式推导，得到了矿山法隧道排水盲管堵塞状态下，考虑地下水沿着衬砌背后排水层纵向流动引起水压力的重分布之后的二次衬砌背后水压力计算方法。然后根据衬砌背后水压力分布规律，提出了控制二次衬砌最大水压力的几种方法。本发明与现有的技术相比具有如下优势：

一、首次提出了考虑衬砌背后排水层纵向流动引起水压力的重分布的纵向效应下的衬砌背后水压力计算方法，与既有的仅按照横断面方向计算衬砌背后水压力的方法相比，计算结果更符合实际情况。

二、通过调整隧道排水系统设计参数、控制地下水余量或间隔一定距离设置泄压环等方式均可对二次衬砌水压力进行调整，故通过合理的设计，可根据需要对二次衬砌背后可能出现的最大水压力进行调控，为衬砌结构受力分析提供依据，使结构设计在保证运营期结构安全的前提下更为经济合理。

三、提出的“泄压环”的概念及技术方案，从根本上解决了矿山法隧道运营期间衬砌背后最大水压力不易控制的难题。

附图说明

图1是既有矿山法隧道防排水系统横断面示意图

图2是图1中a节点大样

图3是盲管堵塞时二次衬砌水压力沿隧道纵向分布示意图

图4是本发明考虑纵向效应的衬砌水压力计算简图

图5是图4中的a-a剖面图

图6是本发明泄压环构造示意图

图7是图6的b-b剖面图

图中：1二次衬砌、1’仰拱部位二次衬砌、2防水板和土工布、3环向透水盲管、4初期支护、5纵向排水盲管、6盲管出口、7纵向水沟、8可拆卸式接水盒、9环向排水沟槽。

具体实施方式

下面通过图1～图7以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述，本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保护范围。

本发明提供的控制矿山法隧道二次衬砌水压力的方法，首先是通过理论推导得到二次衬砌背后最大水压力的计算公式，然后根据公式提出控制最大水压力的方法。

计算考虑纵向效应的二次衬砌水压力：假设隧道横向排水系统堵塞段沿着隧道纵向位于平直段，从堵塞段中点至堵塞段端点纵向长度为l，其两端点处的水压力为0，则堵塞段的中点部位水压力最高，取为p；假设堵塞段沿程地下水渗入量为q1，排水系统堵塞后的排水能力为q2(q2＜q1)，地下水余量为q(q＝q1－q2)，该地下水余量沿初期支护与衬砌结构之间的空间流动；隧道排水层的总面积为a，渗透系数为k；根据对称性，取堵塞段的一半进行分析，取一个微元体考虑，按达西渗流公式：

x·q+q·dx＝-a·k·dp/dx(1)，式(1)两边对x积分得到：

引入边界条件，x＝0时，p＝p0；x＝l时，p＝0；则任一位置处的水压力为：

堵塞段二次衬砌最大水压力位于堵塞段中点，

最大水压力

通过上述推导和计算，得到了二次衬砌背后最大水压力p0的计算公式，通过式(4)可以得出矿山法隧道当排水盲管堵塞时，作用于二次衬砌背后的最大水压力p0与衬砌背后排水层截面积a和渗透系数k成反比，与地下水余量q(沿程地下水渗入量q1与排水系统堵塞后的排水量q2之差)成正比，与堵塞段长度l的平方成正比。

根据二次衬砌背后最大水压力的计算公式，可以采用以下三种方法之一或几种方法的组合来控制最大水压力。

方法一是：当排水层的总面积及其渗透系数、堵塞段长度一定时，由于地下水余量q等于沿程地下水渗入量为q1与系统排水能力q2的差值，通过控制地下水余量q来控制二次衬砌最大水压力。具体地做法有：通过调整注浆止水圈的厚度或注浆止水圈的渗透系数、调整初期支护喷射砼的厚度或密实度来调整地下水渗入量q1；或者通过改变纵向排水盲管管径、调整环向排水系统间距及排水管径大小来调整系统排水能力q2。通过上述措施之一或其几种措施的组合来调整地下水余量q，实现对衬砌最大水压力的控制。

方法二是：当地下水余量q以及堵塞段长度l大小一定时，通过调整排水层的总面积a及其渗透系数k来控制二次衬砌水压力。具体的做法有：由于排水层的总面积a等于排水层沿着隧道衬砌外轮廓敷设长度和排水层厚度的乘积，故隧道轮廓一定后，通过改变排水层(一般为土工布)的厚度来调整排水层的总面积a，从而控制二次衬砌水压力；或通过调整排水层的渗透系数k来控制二次衬砌水压力，比如可采用凹凸型排水板代替土工布来增加渗透系数k，从而降低二次衬砌水压力。

方法三是：沿着隧道纵向间隔一定长度设置泄压环，将排水层截断，使地下水余量直接排放至隧道，从根本上控制沿着隧道纵向排水系统堵塞长度l，从而实现对衬砌背后最大水压力的控制。优选的，上述间隔长度根据拟控制的水压大小计算确定。

泄压环技术方案如图6和图7所示，沿着隧道纵向，每间隔l(l的大小根据拟控制的水压大小计算确定)设置一处“泄压环”，泄压环具体构造是：1)该部位隧道拱墙部位的二次衬砌1以及衬砌背后的防水板与排水层2沿纵向均断开，断开长度根据检修需要确定，一般可取20～40cm；2)泄压环处隧道底部仰拱部位衬砌1’保持纵向连续，以提高隧道的整体性；3)如图7所示，在“泄压环”处贴着二次衬砌内表面安装环向接水盒8，把通过排水层进入环向排水沟槽9内的地下水引流进入到墙角的纵向水沟4，优选地，为了便于运营期检修，环向接水盒8采用可拆卸式结构。

换而言之，所述泄压环是指：在隧道拱墙部位的二次衬砌1以及衬砌背后的防水板与排水层2沿纵向均断开一段距离且隧道底部仰拱部位衬砌保持纵向连续形成的环向排水沟槽9，并在所述环向排水沟槽9处贴着二次衬砌1内表面安装环向接水盒8，并将通过排水层进入环向排水沟槽9内的地下水引流进入到墙角的纵向水沟。

优选的，为了便于运营期检修，所述环向接水盒8两侧与二次衬砌可拆卸连接；所述环向排水沟槽9的宽度根据检修需要确定，其范围为20～40cm。

本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。