隧道地下水處治的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

1、隧道地下水處治的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析第32卷第1期2012年2月窿篷謹(jǐn)TunnelConstructionV01.32No.1Feb.2012隧道地下水處治的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析李蒼松,谷婷,丁建芳(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,成都611731)摘要:為深入研究隧道設(shè)計,施工面臨的地下水處治難題,為高壓富水隧道設(shè)計,施工提供理論依據(jù),對隧道地下水處治技術(shù)的現(xiàn)狀進行分析.不同部門在不同時期和社會經(jīng)濟條件下,提出了不同規(guī)范和地下水處理措施.針對隧道工程設(shè)計,施工過程所遭遇的地下水問題,尤其是隧道襯砌水壓力荷載問題,各行業(yè)部門在隧道(洞)工程支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中對富水地層地下水壓力對支護結(jié)構(gòu)的影響認(rèn)識并不一致

2、,尤其是對外水壓力能否折減仍存在一定爭議,對地下水作用的認(rèn)識仍未達成共識.為此,對隧道地下水問題從概念和方法上進行研究,在研究現(xiàn)狀及存在的主要問題分析基礎(chǔ)上,提出了下一步研究思路.關(guān)鍵詞:隧道;地下水處治;水壓力DOI:10.3973/j.issn.1672741X.2012.01.006中圖分類號:U45文獻標(biāo)志碼:A文章編號:1672741X(2012)01003204AnalysisonState-of-artofGroundWaterTreatmentofTunnelsinChinaandAbroadLICangsong,GUTing,DINGJianfang(ChinaRailway

3、SouthwestResearchInstituteCo.,Ltd.,Chengdu611731,China)Abstract:Thestate-of-artofgroundwatertreatmentoftunnelsisanalysed,SOastomakefurtherstudyonthegroundwatertreatmentissueoftenencounteredinthedesignandconstructionoftunnelsandtoprovidetheoreticalbasisforthedesignandconstructionofhighpressurewatersr

4、ichtunnels.Conclusionsdrawi/areasfollows:differentstandardsanddifferentgroundwatertreatmenttechnologiesareproposedbydifferentauthoritydepartmentsatdifferenttimeandunderdifferentsocioeconomicconditions;expertsfromdifferentauthoritiydepartmentsholddifferentviewsontheeffectofgroundwaterpressureonthelin

5、ingstructuresoftunnelsinwater-richzones,especiallytheyholddifferentviewsonwhethertheexternalwaterpressurecanbereducedornot;theexpertsalsohavedifferontopionsontheeffectofgroundwater.Therefore,thegroundwateroftunnelsshouldbefurtherstudiedintermsofconceptandmethod.Theprincipleforfurtherstudiesonthetrea

6、tmentoftunnelgroundwaterisproposed.Keywords:tunnel;groundwater;treatment;waterpressureO引言眾所周知,隧道施工地下水問題是與隧道工程伴生的,并伴隨著隧道工程施工的整個過程.如何經(jīng)濟,合理地處理好地下水問題,是隧道工程界一直探討且始終存在的一個難題.多年來,眾多專家,學(xué)者在此方面曾做過大量研究工作,取得了不少成果.其中,地下水對隧道(洞)的荷載作用是隧道(洞)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題,盡管對這一問題的爭論延續(xù)了幾十年,但迄今仍然眾說紛紜,莫衷一是,甚至在概念上還含混不清j.由于缺乏系統(tǒng),可靠的實測數(shù)據(jù)和深入的理論分

7、析,對地下水作用的認(rèn)識仍未達成共識.隨著我國路網(wǎng)建設(shè)的進一步發(fā)展,特別是西南地區(qū),不可避免地會出現(xiàn)越來越多的穿越高水位富水地區(qū)的長大隧道.隧道工程建設(shè)適應(yīng)環(huán)境保護的要求不斷發(fā)生變化,隧道設(shè)計理念不斷更新,隧道所采用的防排水措施不同,也直接影響著隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案.因此,如何正確合理地進行高水位富水隧道設(shè)計是目前隧道設(shè)計中值得深入研究的課題.l現(xiàn)有隧道規(guī)范對地下水的處理措施不同部門在不同時期和社會經(jīng)濟條件下,提出了不同規(guī)范和不同的地下水處理措施,見表1.我國對高壓富水地層中的隧道設(shè)計理念主要經(jīng)歷收稿日期:20111110;修回日期:20111227基金項目:鐵道部重大科研課題(2009G00

8、5一D)作者簡介:李蒼松(1971一),男,重慶人,2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁及隧道工程專業(yè),博士,教授級高級工程師,主要從事隧道及地下工程地質(zhì),水文地質(zhì)及物探技術(shù)研究工作.第1期李蒼松,等:隧道地下水處治的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析了3次大的轉(zhuǎn)變(見圖1),其表現(xiàn)為更多地考慮了環(huán)境保護理念,并根據(jù)隧道工程結(jié)構(gòu)與地下水本身規(guī)律之間的相互作用,采取適合于環(huán)境的防排水措施及隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計.盡管目前各部門規(guī)范對地下水處治的設(shè)計還不完全一致,但基本趨向是在不影響環(huán)境的情況下因地制宜,綜合治理.表1現(xiàn)行及已有隧道規(guī)范對地下水的處理措施對比表Table1Groundwatertreatmentmeasures

9、specifiedindifferenttunnelingstandards90犁90目前年代前年代后刖圖1富水隧道設(shè)計理念轉(zhuǎn)變示意圖Fig.1Transitionofdesignconceptsofwaterrichtunnels2國內(nèi)研究現(xiàn)狀針對隧道襯砌水壓力荷載問題,國內(nèi)眾多專家,學(xué)者曾開展大量研究工作,取得了不少研究成果.國內(nèi)較早提出水荷載問題的主要集中在水工隧洞工程界卜埔.文獻13一l4認(rèn)為水荷載是水工荷載的主要荷載,決定著襯砌的型式和尺寸,并提出水荷載作用下隧洞應(yīng)力分析的3條原則.文獻1516對隧道水荷載計算問題進行了相關(guān)研究.文獻1對隧洞及壓力管道設(shè)計中的外水壓力修正系數(shù)進行了進

10、一步討論.由于實際施工中外壓力折減系數(shù)不恒小于1,建議定義為外水壓力修正系數(shù).總體上看,對于外水壓力能否折減仍存在一定的爭議,對其影響因素的分析也不盡相同,而且僅僅注重單一排放的條件,目前研究的方法多集中于理論公式推導(dǎo)與數(shù)值模擬方面J.其中最重要的一點分歧在于:隧道工程專家更強調(diào)隧道的工程結(jié)構(gòu),將地下水作為外荷載來進行考慮,對地下水所依附的復(fù)雜巖體裂隙系統(tǒng)以及地下水運動的特殊規(guī)律考慮較少;水文地質(zhì)或環(huán)境水文地質(zhì)專家對地下水的運移規(guī)律及含水層的滲透特性考慮較多,對地下水作用于隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)分析較少,且多偏重于理論分析,致使隧道專家在設(shè)計時很難把握隧道結(jié)構(gòu)周邊地下水的初始條件和邊界條件.隧道工

11、程界,文獻1820對隧道地下水防治做了深入的探討.針對鐵路長大隧道的水荷載一隧道結(jié)構(gòu)問題,王建宇做了大量的研究工作卜.文獻21從地下水資源保護和生態(tài)環(huán)境出發(fā),針對水壓力計算和施工質(zhì)量控制等關(guān)鍵問題提出了建議,并在文獻2224中對隧道襯砌水壓力進行了更深入的討論和研究.隨著人們對地下水與隧址周邊生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)的認(rèn)識不斷深入,限量排放,以堵為主控制排放等新的隧道防排水原則逐漸得到廣泛應(yīng)用E2s-261.歸結(jié)起來,隧道水壓力的計算方法主要有4大類:折減系數(shù)法,理論解析方法,解析一數(shù)值方法,滲流理論分析方法和水文地球化學(xué)方法.其中,討論最多的是折減系數(shù)法,該方法在水工隧洞設(shè)計規(guī)范中有明確規(guī)定.以往對

12、公路,鐵路隧道襯砌所受水壓力沒有給隧蓮建設(shè)第32卷予足夠的重視,因此,遇到類似問題時,多數(shù)還是通過借用水工隧道設(shè)計規(guī)范的有關(guān)經(jīng)驗和規(guī)定.但在水工隧道規(guī)范中的折減系數(shù)并沒有考慮襯砌滲透性對折減系數(shù)的影響,所以其適用性在公路,鐵路隧道中受到了極大的限制.雖然眾多文獻均對水壓力折減系數(shù)進行了深入探討,但最終現(xiàn)狀是眾說紛紜,仍以經(jīng)驗為主,難以確定有效系數(shù).3國外研究現(xiàn)狀國外對隧道地下水處治的做法也很不統(tǒng)一.ITA(國際隧道協(xié)會)于1991年專門對隧道中水的問題編寫報告,將水作用在隧道上的破壞效應(yīng)分成3類:extemaleffects,structureeffects和functioneffects,但

13、對第1類涉及并不多,并指出它將是未來的研究任務(wù).而挪威海底隧道經(jīng)驗認(rèn)為:完全避免滲水是不可能的也是不必要的,主要的工作是降低滲水達到可接受水平(滲水上限為300L/(km?min),并指出采用預(yù)灌漿的方法來控制滲流.國外對外水壓力折減問題的認(rèn)識也不相同.如挪威不考慮襯砌承受外水壓力.A.Bobet等人的研究表明,不論排放與否,襯砌的應(yīng)力并不改變,只是周圍地層受到影響.與此同時,日本,韓國和美國在實施水下和城市地下結(jié)構(gòu)時,指出需根據(jù)地層的實際條件考慮水壓的折減.國外對外水壓力折減系數(shù)的取值也極不統(tǒng)一,大體有以下3種情況:1)根據(jù)不同工程統(tǒng)計,折減系數(shù)為0.150.9,澳大利亞,美國及日本有時采用

14、此值.2)折減系數(shù)等于1.美國及法國常用此值.3)可能最大水頭值.美國,加拿大及巴西等國,常將隧道襯砌所承受的靜水頭計算到地表面.4存在的問題綜合分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,主要存在以下問題.1)在山嶺深埋隧道中,對支護結(jié)構(gòu),圍巖與周圍地質(zhì)環(huán)境(包括地下水)相互作用規(guī)律認(rèn)識不夠,尚未達成共識.2)隧道工程師和水文地質(zhì)專家在地下水對隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)作用問題上存在一定程度的理論脫節(jié)現(xiàn)象,需對此問題從概念和方法上進行深入研究.3)目前隧道水荷載計算方法的實用性較差,難以直接用于隧道設(shè)計.5結(jié)論與建議鑒于地下水壓力對支護結(jié)構(gòu)的影響認(rèn)識不一致,對隧道地下水作用的認(rèn)識仍未達成共識的現(xiàn)狀,尚需進一步在基礎(chǔ)理論上深入開

15、展隧道水壓力的研究,以便達成共識,為高壓富水隧道設(shè)計提供理論依據(jù).建議從以下2方面開展研究:1)隧道施工對圍巖滲流場的影響研究.包括圍巖初始滲流場研究,隧道開挖和支護引起的地下水滲流變化過程研究等.2)隧道結(jié)構(gòu)水荷載設(shè)計方法研究.包括隧道結(jié)構(gòu)水荷載的物理模型試驗和數(shù)學(xué)模型研究,地下水排放方式及排放流量與水荷載之間的相關(guān)關(guān)系研究,不同防排水模式下隧道水荷載的計算模式,隧道地下水處治的理念和方式等.參考文獻(References):1張有天.隧洞及壓力管道設(shè)計中的外水壓力修正系數(shù)J.水力發(fā)電,1996(12):3034,71.(ZHANGYoutian.Correctionfactorofexte

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17、人民交通出版社,2004.8GB50157-92地下鐵道設(shè)計規(guī)范S.北京:中國計劃出版社,1992.9GB50157-200地下鐵道設(shè)計規(guī)范S.北京:中國計劃出版社,2003.10sD13484水工隧洞設(shè)計規(guī)范S.北京:中國水利水電出版社,1984.11DLT5195-2004水工隧洞設(shè)計規(guī)范S.北京:中國水利水電出版社,2004.12付鋼,王磊.高壓富水地層中隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計方法探討J.地下空間與工程,2007,3(2):252257.(FUGang,WANGLei.Studyondesignmethodofliningstructureofthehighwaytunnelindeeplyi

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19、):2232.(ZHANGYoutian,ZHANG第1期李蒼松,等:隧道地下水處治的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析351516171819202122Wugong,WANGLei.FurtherstudyonstaticcalculationofwaterloadactingontunnelsJ.JournalofHydraulicEngi?neering,1985(3):2232.(inChinese)周太開,張有天.關(guān)于水工隧洞結(jié)構(gòu)計算若干問題的商榷J.水力發(fā)電,1980(5):5054.潘家錚.壩體有限元分析中的水荷載問題J.水力發(fā)電,1984(3):2126.王鐳,劉中,張有天.有排水孔幕的滲流

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24、terpressureontunnelliningJ.RailwayConstructionTechnology,2008(2):16.(inChinese)25王秀英,王夢恕,張彌.計算隧道排水量及襯砌外水壓力的一種簡化方法J.北方交通大學(xué),2OO4,28(1):810.(WANGXiuying,WANGMengshu,ZHANGMi.AsimplemethodtocalculatetunneldischargeandextemalwaterpressureonliningJ.JournalofNorthernJiaotongUniversity,2004,28(1):810.(inChin

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