Influencing Factors of External Water Pressure Reduction Coefficient on Lining in Water-rich Loess Tunnel
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摘要: 水工隧洞衬砌外水压力折减系数的合理取值是结构设计中的难点。以引汉济渭引水隧洞工程穿越Q2黄土地层为背景，开展了饱和Q2黄土的物理力学特性试验，并基于FLAC3D有限差分法及流–固耦合分析原理，研究6种因素对外水压力折减系数的敏感程度和变化规律。结果表明，各因素对外水压力折减系数的影响程度从高到低依次为：壁后注浆厚度h>盾构掘进速度V>地层渗透系数kl>开挖扰动范围ws>壁后注浆水平N>地下水位高度H，壁后注浆厚度对外水压力折减系数影响最大，当盾构掘进速度V≤9 m/d、地层渗透系数kl≤0.2 m/d时，外水压力折减系数受盾构掘进速度和地层的渗透系数影响较大，其余因素影响较小；考虑到地层条件及施工水平的差异性，饱和Q2黄土中衬砌外水压力折减系数取值变化范围为0.35～0.75，平均可取0.53。Abstract: The reasonable value of the reduction coefficient of external water pressure (RCEWP) in hydraulic tunnel lining is a difficulty in structural design. Taking the hydraulic tunnel of the Hanjiang to Weihe River Valley Water Diversion Project crossing saturated Q2 loess stratum as an example, the physical and mechanical properties of Q2 loess were tested. Based on FLAC3D and coupled fluid-soild analysis method, the sensitivity degree and variation rule of six factors to the RCEWP were studied. The results show that: (1) The sensitivity degree of each factor on the RCEWP from high to low is as follows: The grouting thickness behind the lining (h)> speed of shield advancing (V)> permeability coefficient of loess stratum (kl) > disturbance zone due to excavation (ws)> grouting level (N)> groundwater table (H). The grouting thickness behind the lining has the greatest influence on the RCEWP. When the speed of shield advancing (V)≤9 m/d and the permeability coefficient of loess stratum kl≤0.2 m/d, the RCEWP is greatly affected by them, while the other factors have little influence. (2) Considering the difference of stratum conditions and construction and management level, the RCEWP of lining in saturated Q2 loess ranges from 0.35 to 0.75, with an average value of 0.53.
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表 1 Q2黄土物理指标
w/% ρ/(g·cm–3) Gs/(g·cm–3) e Sr/% wl/% wp/% 21.3～23.6 1.93～2.01 2.72 0.64～0.74 86.5～90.1 38.9～39.0 19.5 
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表 2 模型参数取值
材料属性 重度/（kN·cm–3） 孔隙率n 弹性模量E/MPa 泊松比μ 黏聚力c/kPa 内摩擦角φ/（°） 渗透系数k/（m·d–1） Q2黄土 水下 20.1 0.39 47.0 0.35 23.0 17.5 0.02 水上 19.4 0.41 55.0 0.34 30.0 18.5 0.02 扰动圈 20.1 0.39 18.8 0.35 17.0 15.5 1.50 注浆层 22.0 0.25 500.0 0.20 8.64E-04 二衬 25.0 0.01 34500.0 0.20 8.64E-07
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表 3 数值分析方案
方案编号 变量因素 不变因素 工期 1 施工期盾构掘进速度V/（m·d−1） 1.2、1.4、1.6、2.0、2.6、3.6、6、9、12、18、22.5、30 H/H0=1.0；kl=0.02 m/d；ws=0.0 m；h=20 cm；N=23；无内水压力 2 运行期H/H0 0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0、1.05、1.1、1.2、1.33 V=12 m/d；kl=0.02 m/d；ws=0.0 m；h=20 cm；N=23 3 检修期H/H0 1.0、1.05、1.1、1.2、1.33 V=12 m/d；kl=0.02 m/d；ws=0.0 m；h=20 cm；N=23；无内水压力 地层条件 4 地层渗透系数
kl/（m·d−1）0.01、0.02、0.03、0.05、0.08、0.1、0.2、0.3、1、2、3 V=12 m/d；H/H0=1.0；ws=0.0 m；h=20 cm；N=23 5 开挖扰动圈厚度ws/m 0.0、0.5、1.0、1.5、2.0 V=12 m/d；H/H0=1.0；kl=0.02 m/d；h=20 cm；N=23 壁后注浆
效果6 注浆层厚度h/cm 20、30、40、50、60、70、80、90、100 V=12 m/d；H/H0=1.0；kl=0.02 m/d；ws=0.0 m；N=23 7 注浆水平N 0.2、2、23、50、100、150、200 V=12 m/d；H/H0=1.0；kl=0.02 m/d；ws=0.0m；h=20 cm
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表 4 隧洞衬砌外水压力折减系数取值
隧洞衬砌外位置 考虑流固耦合时β 仅考虑渗流时β 拱顶 0.51 0.43 拱肩 0.50 0.42 边墙 0.51 0.42 拱脚 0.53 0.44 拱底 0.54 0.45 平均值 0.52 0.43 注：β为隧洞衬砌外水压力折减系数，指的是实际孔隙水压力p/理论孔隙水压力γwH。
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表 5 各影响因素敏感系数
影响因素 变化范围 敏感系数M V（盾构掘进速度） V<9 m/d 0.0563 V>9 m/d 0.0089 kl（地层渗透系数） kl<0.2 m/d 0.0548 kl>0.2 m/d 0.0019 ws（开挖扰动范围） 0 m≤ws≤2 m 0.0194 h（壁后注浆厚度） 20 cm≤h≤100 cm −0.0796 N（壁后注浆水平） 0.2≤N≤200 −0.0002 H运行期（运行期） 0.1H0≤H运行期≤1.33H0 0 H检修期（检修期） 1.0H0≤H检修期≤1.33H0 0 注：影响系数为正时，代表外水压力折减系数的变化与影响因素呈正相关变化；影响系数为负时，代表外水压力折减系数的变化与影响因素呈负相关。
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[1] “十四五”水安全保障规划[J]. 中国水利, 2022(2): 11-24. [2] 郑 波,王建宇,吴 剑. 轴对称解对隧道衬砌水压力计算的适用性研究[J]. 现代隧道技术,2012,49(1):60-65. [3] ARJNOI P,JEONG J H,KIM C Y,et al. Effect of drainage conditions on porewater pressure distributions and lining stresses in drained tunnels[J]. Tunneling and Underground Space Technology,2009,(4):376-389. [4] SL 279—2016 水工隧洞设计规范[S]. 北京: 中国水利水电出版社, 2016. [5] 刘立鹏,汪小刚,贾志欣,等. 水岩分算隧道衬砌外水压力折减系数取值方法[J]. 岩土工程学报,2013,35(3):495-500. [6] 王新刚,胡 斌,赵治海,等. 渗流作用下节理型黄土开挖边坡塌滑破坏分析[J]. 自然灾害学报,2014,23(2):47-52. [7] 金美海,刘新荣,钟祖良. 岩溶隧道拱顶局部水压作用下衬砌受力特征研究[J]. 地下空间与工程学报,2021,17(4):1099-1105,1131. [8] 朱 俊,梁建文. 饱和土–隧道动力相互作用对地震动土作用和孔隙动水压力的影响[J]. 自然灾害学报,2018,27(6):66-74. [9] 王玉锁,杨 超,曾宏飞,等. 外水压力对渭河隧道下穿河谷段衬砌结构的影响研究[J]. 铁道建筑,2014,(5):50-53. doi: 10.3969/j.issn.1003-1995.2014.05.15 [10] 李延川,王 森,钟祖良. 不同排水孔失效长度下岩溶隧道衬砌结构受力分析[J]. 地下空间与工程学报,2017,13(S2):833-839. [11] 吴昌睿,黄宏伟. 地铁隧道渗漏水的激光扫描检测方法及应用[J]. 自然灾害学报,2018,27(4):59-66. [12] 王克忠,倪绍虎,吴 慧. 深部隧洞裂隙围岩渗透特性及衬砌外水压力变化规律[J]. 岩石力学与工程学报,2018,37(1):168-176. [13] 叶 亮,丁文其,张清照. 地下水对岩石隧道衬砌作用计算方法的探讨[J]. 现代隧道技术,2021,58(S1):326-335. [14] 舒 磊,何本国,龚 伦,等. 大断面深埋隧道穿越富水断层灾变研究[J]. 自然灾害学报,2013,22(4):193-200. [15] 刘 坤,刘新荣,钟祖良,等. 隧道排水系统非对称堵塞对衬砌外水压力的影响[J]. 地下空间与工程学报,2018,14(2):369-378. [16] 王建秀,杨立中,何 静. 深埋隧道衬砌水荷载计算的基本理论[J]. 岩石力学与工程学报,2002,(9):1339-1343. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2002.09.012 [17] 孙智慧,唐 勇,刘 涛. 盾构隧道局部渗漏水对其力学特性的影响[J]. 现代隧道技术,2021,58(4):141-149. [18] 顾 伟,董 琪,王 媛,等. 运营期铁路隧道衬砌外水压力折减方法[J]. 科学技术与工程,2018,18(12):280-285. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2018.12.046 [19] 丁燕平,徐林生. 外水压力作用下深埋公路隧道衬砌受力特性与安全性研究[J]. 现代隧道技术,2018,55(6):101-107. doi: 10.13807/j.cnki.mtt.2018.06.014 [20] 孙 博,谷 玲,谢金元,等. 高外水压力下水工隧洞设计理念的初步探讨[J]. 地下空间与工程学报,2017,13(S2):752-756. [21] 李臣林. 高速公路隧道贯通段围岩稳定性研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2017. [22] 高 林,刘鹏泽,张盼栋. 基于松动圈测试的回采巷道围岩分类研究[J]. 当代化工研究,2022,(12):62-64. doi: 10.3969/j.issn.1672-8114.2022.12.021 [23] 鲜 杰. 相似模型试验中围岩松动圈识别技术研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2022. -
图(11) / 表(5)
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