盾构隧道设计时水压力计算方法探讨

时间：2024-07-28

冯兴广

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510010）

0 引言

修建水下隧道己成为跨越江河湖海等天然水道屏障和实现区域协调发展的重要举措。水下隧道施工常用方法有钻爆法、盾构法、TBM 法和沉管法等，其中许多学者将采用盾构工法施工的水下隧道统称为水下盾构隧道。在水下盾构隧道快速发展的同时，既有水下盾构隧道己暴露出了许多衬砌结构问题，如管片错台、拼装接缝开裂，继而产生局部渗漏水，导致隧道结构整体稳定性降低，加剧地面建筑物的不均匀沉降、影响周围水环境变化、严重者将造成大量涌水和隧道被淹事故发生。上述现象凸现出了水下盾构隧道管片衬砌结构变形及裂化等病害隐患，在当时的理论水平和技术条件下制定的现行规范，与现有水下盾构隧道工程使用的新技术和产生的新问题之间的矛盾，是导致此类隐患问题的主要原因。如造成了水下盾构隧道衬砌外荷载的设计值计算不合理等系列问题。因此，如何在现有的设计理论和方法基础上，将水下盾构隧道的相关影响因素考虑到衬砌结构设计中，如盾构施工扰动对衬砌外水压力的影响或地下水渗流对衬砌结构外侧土压力的影响等，成为当前水下盾构隧道设计中面临的主要难题和热点问题。

1 水压力的主要计算方法

随着地下渗水致灾事故的频繁发生，各国规范逐渐意识到隧道衬砌外水压力的重要性，如日本土木学会《土木工程手册一隧道手册》（修订版）、美国《隧道工程手册》以及前苏联的公路隧道设计规范等均将衬砌外水压力作为重要荷载进行考虑。此外，我国《铁路隧道设计规范》（TB1003-2005）、《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）、《地铁隧道设计规范》（GB50157-2003）以及《水工隧洞设计规范》（SL279-2002）均明确了衬砌外水压力的重要性，其中《地铁设计规范》和《水工隧洞设计规范》对衬砌外水压取值给出了较为明确的方法。规范中规定的外水压取值方法通常为经验取值，以折减系数法应用最为广泛；此外，经过研究学者的不懈努力，衬砌外水压取值在解析解法和数值模拟方法两方面也取得了较多的研究成果。

2 折减系数法

水工隧道设计中首先提出了隧道衬砌外水荷载计算的折减系数法：一般以地下水面到结构物处的水头h 为基础，再乘以一个折减系数来确定外水压力，折减系数是个综合指标，主要靠经验来确定其取值[1]。德国、日本常用全水头计算衬砌水荷载，即折减系数取值为1。巴西、加拿大采用可能最大水头值计算静水压力，以此作为设计水压力。与水工隧道不同，交通运输隧道不存在内水压的影响，在采用折减系数法设计时常常引导设计人员进入一个误区，即衬砌内表面干燥，衬砌外水压取较小值。然而将衬砌按照不排水条件进行设计时，衬砌外水压最终为全部静水压，这与围岩渗透性以及注浆圈影响等无关。随着“以堵为主、限排为辅”衬砌设计理念主导地位的提升，衬砌按照排水条件进行设计，该类情况下衬砌外水压折减系数的取值仍值得探讨，我国研究人员己经开展了相关方面研究，张成平、张顶立、王梦恕和项彦勇[2]等提出了隧道排水率的概念，并分析了隧道排水率与衬砌外水压折减系数之间的关系。

此外，为了使得折减系数法推广应用，众多学者对其进行了改进，如董国贤阐述了水工隧道中积累的水荷载和水头折减系数的经验折减法。张有天指出隧洞静力计算中通常把水压力作为边界力处理，没有考虑水荷载作用的时间因素，在某些情况下将导致较大的误差，建议把水荷载作为场力来处理，考虑水荷载与隧洞开挖及衬砌相对时间关系进行隧洞围岩及衬砌的静力计算，提出了隧洞设计三原则和隧洞外水压修正系数方法。周乐凡采用室内模型试验方法，通过改变围岩注浆圈模拟介质的渗透系数，测试分析了10 多组隧道衬砌外水压力折减系数，探究了外水压力折减系数与衬砌外围注浆圈的综合渗透系数之间的关系。何明磊通过轴对称解析计算和有限元数值计算隧道在不同衬砌渗透系数、不同注浆圈厚度、不同衬砌厚度条件下，衬砌背后的水压力、流量及衬砌内力，分析影响水压力的因素和水压力对衬砌内力的影响，计算结果显示：衬砌不透水时，水压力荷载系数不折减；在控制排水的条件下，调整衬砌渗透系数、注浆半径和衬砌厚度可以改变水压力、流量和衬砌内力。

综上，衬砌外水压折减系数是一个受到多因素影响，经验性取值为主，适用于水工隧洞的综合参数，对于高水压水下盾构隧道而言，水压力为衬砌主要荷载，衬砌外水压折减系数取值更加值得深入探讨。简化计算方法最为常用，上述计算方法均没有考虑地下水渗流的扰动影响，尤其是在水下盾构隧道复杂的赋存和施工环境下，地下水渗流的影响还不明确，如果继续采用现有的经典方法，势必会造成设计结果有失偏颇，由此可知上述方法的适用性有待商榷。

3 解析解法

隧道衬砌外水压解析解法具有概念清晰，计算简便的优点，通常基于Darcy 地下水力学理论，并对边界条件做适当的假定，推导得出水压力分布，进而得到衬砌外水压的理论值。早在上世纪60 年代Harr 基于镜像法推导得出了隧道围岩内孔压分布计算公式，并在工程实践中得到了广泛应用，经过验证表明Harr 解在求解高水压隧道中水压分布时具有较高的精度，为隧道衬砌外水压求解和地下水渗流影响分析奠定了基础。

此后，国内外许多学者对隧道渗流场解析法进行了深入研究，主要有Shizhong Lei、Ko1ymbas 等关于隧道围岩内孔隙水压力和涌水量解析计算公式，采用不同计算手段进行了推导和深入分析。我国学者对不同条件下隧道渗流场解析法也进行了研究和探讨，吴金刚研究了高水压透水条件下山岭隧道围岩内渗流场的分布特征；项彦勇[3]分析了水体下隧道开挖，隧道内表面为等水头和等水压两种排水条件下围岩孔压的解析法。王建宇探讨了复合式衬砌的水压力荷载取值问题，认为复合式衬砌也必须考虑水压力荷载。王建秀等[4]首先用经验解析法预测隧道的涌水量，将涌水量作为中间桥梁确定围岩渗流场的分布，进而计算隧道衬砌的外水压力。郑波[5]综合采用了室内模型试验和数值与理论分析等多种方法分析了在高水头富水区条件下衬砌外水压力的分布特征与计算方法，对衬砌水压力折减系数敏感度进行了分析，探讨了不同排导结构的衬砌水压力的分布规律，得出决定衬砌水压力折减系数的主要因素是衬砌与围岩的相对渗透性。杜朝伟推导得出水下隧道渗流场解析法。童磊和朱成伟等对有衬砌条件下隧道渗流场进行了解析分析。

现有隧道渗流场解析法和衬砌外水压解析法在估算衬砌外水压方面具有很好的作用，根据现有的解析法可以推导得出衬砌外侧水压折减系数解析计算公式，便于工程的应用。但是推导得出的水压折减系数解析法偏重于二维渗流场求解条件，且多数是属于稳定渗流条件，无法考虑施工期因素的扰动影响和复杂地层条件变化的影响，因此有必要采用其他手段对其进行修正，进而扩大其工程适用性。

4 数值分析法

数值分析方法是国内外研究人员进行隧道结构外水压力计算和分析时的常用方法之一。通过试验研究得出衬砌在排水后仍然要承受相当于静力水头20%左右的水压力。张志强采用数值模拟的方法对高水位条件下的隧道衬砌结构支护体系的设计参数进行了较为详细的分析。张明德采用物理模型试验、数值模拟分析和理论推导相结合的方法，对宜万铁路岩溶隧道的渗流场分布规律、流固耦合影响下的衬砌结构的受力特征以及注浆对渗流场分布规律的影响等一系列问题进行了深入的探讨和分析。卓越以梁万高速公路金竹林连拱隧道为研究对象，通过现场试验和数值模拟计算，提出了连拱隧道地下水渗流场的变化主要影响因素是隧道埋深、裂隙发育情况、围岩松动圈大小以及施工工序等。华福才采用FLAC3D 对分析了青岛地铁典型区间隧道开挖阶段以及运营期的渗流场，并研究了在不同注浆圈厚度以及注浆圈渗透系数下隧道注浆圈的涌水量和外水压力。地下水渗流过程中，渗流场与应力场的耦合效应影响明显[6]，在隧道衬砌水荷载计算方面，水荷载的取值必须要考虑渗流场与应力场的耦合效应，根据渗流场的历史过程来确定；我国研究学者对此进行了多方面深入研究，陈卫忠和李廷春、何川和许金华[7]、何翔、原华等对隧道围岩内渗流场与应力场的耦合作用效应进行了深入研究。

5 进一步研究建议

综上所述，衬砌外水压力是结构设计中关注的重点对象，现行隧道设计规范方法属于经验方法，对衬砌外水压力仅是粗略的估算，对于水下隧道而言，高水压力己构成衬砌外荷载的主要部分，因此需要更加准确地预测结果；此外，水下盾构隧道施工期受到盾构工法、复合地层以及地下水渗流影响，隧道衬砌外水压力的分布规律更为复杂，在考虑诸多因素影响情况下如何准确研判隧道衬砌外水压力大小和分布规律，应该是当前研究的重要内容。

总的来说，国内外的盾构隧道设计在理论上己经逐步成熟和完善，并形成了行之有效的规范方法。然而水下盾构隧道施工期衬砌外水压力的合理确定问题，一直是研究和设计人员关注的重点，为此，建议后续可以针对水下盾构隧道施工期的复杂扰动影响下的衬砌结构外侧水压力计算方法展开研究，以期相关研究成果能为相似工况条件下的水下盾构隧道管片结构设计中衬砌外侧水压力的合理取值提供理论依据和借鉴。