一種控制礦山法隧道二次襯砌水壓力的方法與流程
2023-10-20 10:31:27 1
本發明屬於隧道工程技術領域，涉及一種通過調整隧道襯砌背後排水層參數、設置洩壓環等方式控制作用於隧道二次襯砌上的最大水壓力的方法。
背景技術：
目前採用礦山法修建的隧道工程一般採用排水型襯砌或限制排放型襯砌，即二次襯砌背後沿著隧道縱向一定距離設置一道環向排水盲管(或排水板)，並在防水板背後鋪設土工布，通過上述措施，將襯砌背後的圍巖滲水引入到環、縱向盲管，然後再排入隧道內的水溝，防排水系統如圖1及圖2所示。如果襯砌背後的圍巖滲水可完全及時排出，則二次襯砌可按照不承受水壓力作用進行結構設計，如果襯砌背後積水按照限量排放設計，或由於排水盲管堵塞造成積水不能全部及時排出，則襯砌背後會存在一定的水壓，相應的襯砌結構設計時需考慮按照全部水頭或按全部水頭折減後的部分水壓力的作用。發表於《現代隧道技術》2003年第3期的「再談隧道襯砌水壓力」以及《北京交通大學學報》2004年第1期的「計算隧道排水量及襯砌外水壓力的一種簡化方法」等文獻基於簡化模型提出了隧道內排水量q和噴射砼外水壓力p的計算方法，推導出了在二次襯砌外表面無水壓力時，隧道內排水量和噴射混凝土外表面水壓力的計算公式；根據同樣原按照理也可推導出二次襯砌外表面存在一定水壓力時水壓力時，隧道內排水量和噴射混凝土外表面水壓力的計算公式。
但是上述研究成果以及目前實際工程應用中均是按照橫斷面方向的平面模型進行計算，未考慮隧道防排水系統的空間效應，例如當隧道環向排水系統僅某一段完全堵塞或部分堵塞時，由於地下水可以沿二次襯砌與噴射砼之間的排水層(常用土工布)縱向流動，因而堵塞段實際的水壓力會減小，而相鄰的無堵塞段的水壓力要大於0，如圖3所示。假如按照目前常用的平面計算方法，即使隧道僅在局部一小段排水盲管完全堵塞，二次襯砌背後水壓力值都很大，如果以此作為設計依據將造成不必要的浪費。
另外，按照既有設計理論，當堵塞段存在多種圍巖和支護結構時，不同地段均按照平面模型計算，則會得出不同的水壓力折減係數，出現沿著隧道縱向在地層變化分界斷面出現水壓力突變現象，而實際上排水層在縱向是貫通的，地下水必然從水壓力高的地段往水壓力低的地段流動，導致水壓力重分布。
上述兩種現象說明，既有計算理論及設計方法沒有考慮隧道防排水系統的縱向效應(或空間效應)，這可能導致二次襯砌背後水壓力取值偏小或偏大而給結構留下安全隱患或增加不必要的投資。
技術實現要素：
針對背景技術存在的問題，根據水在有空隙介質中滲流的基本原理，本發明的目的在於考慮隧道防排水系統的空間效應，研究得到隧道排水系統堵塞時，二次襯砌背後水壓力沿著隧道縱向的分布規律，並表達出沿著隧道縱向襯砌背後水壓力分布與基巖滲水量、襯砌背後排水層面積、滲透係數之間的函數關係，通過調整防排水系統設計參數、設置洩壓環等措施，可以調整隧道二次襯砌背後水壓力，並根據實際工程需要控制二次襯砌水壓的最大值，為隧道結構設計提供理論依據，避免隧道二次襯砌結構設計出現過於保守或不安全的現象。
為達到上述目的，本發明提供的控制礦山法隧道二次襯砌水壓力的方法，其特徵在於，
計算考慮縱向效應的二次襯砌水壓力：假設隧道橫向排水系統堵塞段沿著隧道縱向位於平直段，從堵塞段中點至堵塞段端點縱向長度為l，其兩端點處的水壓力為0，則堵塞段的中點部位水壓力最高，取為p；假設堵塞段沿程地下水滲入量為q1，排水系統堵塞後的排水能力為q2(q2＜q1)，地下水餘量為q(q＝q1－q2)，該地下水餘量沿初期支護與襯砌結構之間的空間流動；隧道排水層的總面積為a，滲透係數為k；根據對稱性，取堵塞段的一半進行分析，取一個微元體考慮，按達西滲流公式：
x·q+q·dx＝-a·k·dp/dx(1)，式(1)兩邊對x積分得到：
引入邊界條件，x＝0時，p＝p0；x＝l時，p＝0；則任一位置處的水壓力為：
堵塞段二次襯砌最大水壓力位於堵塞段中點，
最大水壓力
根據式(4)，本發明通過以下三種方法之一或幾種組合來控制礦山隧道二次襯砌水壓力：
一、當排水層的總面積及其滲透係數、堵塞段長度一定時，通過控制地下水餘量q來控制二次襯砌最大水壓力；
二、當地下水餘量q以及堵塞段長度l大小一定時，通過調整排水層的總面積a及其滲透係數k來控制二次襯砌水壓力；
三、當地下水餘量q、襯砌背後排水層的總面積a及其滲透係數k均一定時，通過改變堵塞段的長度l來控制二次襯砌最大水壓力。
作為優選方案，針對第一種控制方法，由於地下水餘量q等於沿程地下水滲入量為q1與系統排水能力q2的差值：
優選的，通過調整注漿止水圈的厚度或注漿止水圈的滲透係數來調整地下水滲入量q1。
優選的，通過調整初期支護噴射砼的厚度或密實度來調整地下水深入量q1。
優選的，通過改變縱向排水盲管管徑來調整系統排水能力q2。
優選的，通過調整環向排水系統間距及排水管徑大小來調整系統排水能力q2。
當然可以通過上述措施之一或其幾種措施的組合來調整地下水餘量q，實現對襯砌最大水壓力的控制。
作為另一優選方案，針對第二種控制方法：
優選的，由於排水層的總面積a等於排水層沿著隧道襯砌外輪廓敷設長度和排水層厚度的乘積，故隧道輪廓一定後，通過改變排水層的厚度來調整排水層的總面積a，從而控制二次襯砌水壓力。一般，排水層為土工布。
優選的，採用凹凸型排水板代替土工布來增加滲透係數k，從而降低二次襯砌水壓力。
作為再一優選方案，針對第三種控制方法：
優選的，沿著隧道縱向間隔一定長度設置洩壓環，將排水層截斷，使地下水餘量直接排放至洞內，從而起到降壓的作用。
進一步優選的，上述間隔長度根據擬控制的水壓大小計算確定。
進一步優選的，所述洩壓環是指：在隧道拱牆部位的二次襯砌以及襯砌背後的防水板與排水層沿縱向均斷開一段距離且隧道底部仰拱部位襯砌保持縱向連續形成的環向排水溝槽，並在所述環向排水溝槽處貼著二次襯砌內表面安裝環向接水盒，並將通過排水層進入環向排水溝槽內的地下水引流進入到牆角的縱向水溝。
再進一步優選的，所述環向接水盒兩側與二次襯砌可拆卸連接。
再進一步優選的，所述環向排水溝槽的寬度根據檢修需要確定，其範圍為20～40cm。
本發明的有益效果是：本發明通過理論公式推導，得到了礦山法隧道排水盲管堵塞狀態下，考慮地下水沿著襯砌背後排水層縱向流動引起水壓力的重分布之後的二次襯砌背後水壓力計算方法。然後根據襯砌背後水壓力分布規律，提出了控制二次襯砌最大水壓力的幾種方法。本發明與現有的技術相比具有如下優勢：
一、首次提出了考慮襯砌背後排水層縱向流動引起水壓力的重分布的縱向效應下的襯砌背後水壓力計算方法，與既有的僅按照橫斷面方向計算襯砌背後水壓力的方法相比，計算結果更符合實際情況。
二、通過調整隧道排水系統設計參數、控制地下水餘量或間隔一定距離設置洩壓環等方式均可對二次襯砌水壓力進行調整，故通過合理的設計，可根據需要對二次襯砌背後可能出現的最大水壓力進行調控，為襯砌結構受力分析提供依據，使結構設計在保證運營期結構安全的前提下更為經濟合理。
三、提出的「洩壓環」的概念及技術方案，從根本上解決了礦山法隧道運營期間襯砌背後最大水壓力不易控制的難題。
附圖說明
圖1是既有礦山法隧道防排水系統橫斷面示意圖
圖2是圖1中a節點大樣
圖3是盲管堵塞時二次襯砌水壓力沿隧道縱向分布示意圖
圖4是本發明考慮縱向效應的襯砌水壓力計算簡圖
圖5是圖4中的a-a剖面圖
圖6是本發明洩壓環構造示意圖
圖7是圖6的b-b剖面圖
圖中：1二次襯砌、1』仰拱部位二次襯砌、2防水板和土工布、3環向透水盲管、4初期支護、5縱向排水盲管、6盲管出口、7縱向水溝、8可拆卸式接水盒、9環向排水溝槽。
具體實施方式
下面通過圖1～圖7以及列舉本發明的一些可選實施例的方式，對本發明的技術方案(包括優選技術方案)做進一步的詳細描述，本實施例內的任何技術特徵以及任何技術方案均不限制本發明的保護範圍。
本發明提供的控制礦山法隧道二次襯砌水壓力的方法，首先是通過理論推導得到二次襯砌背後最大水壓力的計算公式，然後根據公式提出控制最大水壓力的方法。
計算考慮縱向效應的二次襯砌水壓力：假設隧道橫向排水系統堵塞段沿著隧道縱向位於平直段，從堵塞段中點至堵塞段端點縱向長度為l，其兩端點處的水壓力為0，則堵塞段的中點部位水壓力最高，取為p；假設堵塞段沿程地下水滲入量為q1，排水系統堵塞後的排水能力為q2(q2＜q1)，地下水餘量為q(q＝q1－q2)，該地下水餘量沿初期支護與襯砌結構之間的空間流動；隧道排水層的總面積為a，滲透係數為k；根據對稱性，取堵塞段的一半進行分析，取一個微元體考慮，按達西滲流公式：
x·q+q·dx＝-a·k·dp/dx(1)，式(1)兩邊對x積分得到：
引入邊界條件，x＝0時，p＝p0；x＝l時，p＝0；則任一位置處的水壓力為：
堵塞段二次襯砌最大水壓力位於堵塞段中點，
最大水壓力
通過上述推導和計算，得到了二次襯砌背後最大水壓力p0的計算公式，通過式(4)可以得出礦山法隧道當排水盲管堵塞時，作用於二次襯砌背後的最大水壓力p0與襯砌背後排水層截面積a和滲透係數k成反比，與地下水餘量q(沿程地下水滲入量q1與排水系統堵塞後的排水量q2之差)成正比，與堵塞段長度l的平方成正比。
根據二次襯砌背後最大水壓力的計算公式，可以採用以下三種方法之一或幾種方法的組合來控制最大水壓力。
方法一是：當排水層的總面積及其滲透係數、堵塞段長度一定時，由於地下水餘量q等於沿程地下水滲入量為q1與系統排水能力q2的差值，通過控制地下水餘量q來控制二次襯砌最大水壓力。具體地做法有：通過調整注漿止水圈的厚度或注漿止水圈的滲透係數、調整初期支護噴射砼的厚度或密實度來調整地下水滲入量q1；或者通過改變縱向排水盲管管徑、調整環向排水系統間距及排水管徑大小來調整系統排水能力q2。通過上述措施之一或其幾種措施的組合來調整地下水餘量q，實現對襯砌最大水壓力的控制。
方法二是：當地下水餘量q以及堵塞段長度l大小一定時，通過調整排水層的總面積a及其滲透係數k來控制二次襯砌水壓力。具體的做法有：由於排水層的總面積a等於排水層沿著隧道襯砌外輪廓敷設長度和排水層厚度的乘積，故隧道輪廓一定後，通過改變排水層(一般為土工布)的厚度來調整排水層的總面積a，從而控制二次襯砌水壓力；或通過調整排水層的滲透係數k來控制二次襯砌水壓力，比如可採用凹凸型排水板代替土工布來增加滲透係數k，從而降低二次襯砌水壓力。
方法三是：沿著隧道縱向間隔一定長度設置洩壓環，將排水層截斷，使地下水餘量直接排放至隧道，從根本上控制沿著隧道縱向排水系統堵塞長度l，從而實現對襯砌背後最大水壓力的控制。優選的，上述間隔長度根據擬控制的水壓大小計算確定。
洩壓環技術方案如圖6和圖7所示，沿著隧道縱向，每間隔l(l的大小根據擬控制的水壓大小計算確定)設置一處「洩壓環」，洩壓環具體構造是：1)該部位隧道拱牆部位的二次襯砌1以及襯砌背後的防水板與排水層2沿縱向均斷開，斷開長度根據檢修需要確定，一般可取20～40cm；2)洩壓環處隧道底部仰拱部位襯砌1』保持縱向連續，以提高隧道的整體性；3)如圖7所示，在「洩壓環」處貼著二次襯砌內表面安裝環向接水盒8，把通過排水層進入環向排水溝槽9內的地下水引流進入到牆角的縱向水溝4，優選地，為了便於運營期檢修，環向接水盒8採用可拆卸式結構。
換而言之，所述洩壓環是指：在隧道拱牆部位的二次襯砌1以及襯砌背後的防水板與排水層2沿縱向均斷開一段距離且隧道底部仰拱部位襯砌保持縱向連續形成的環向排水溝槽9，並在所述環向排水溝槽9處貼著二次襯砌1內表面安裝環向接水盒8，並將通過排水層進入環向排水溝槽9內的地下水引流進入到牆角的縱向水溝。
優選的，為了便於運營期檢修，所述環向接水盒8兩側與二次襯砌可拆卸連接；所述環向排水溝槽9的寬度根據檢修需要確定，其範圍為20～40cm。
本領域技術人員容易理解，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並不以限制本發明，凡在本發明的精神和原則下所做的任何修改、組合、替換、改進等均包含在本發明的保護範圍之內。