壓氣新奧法隧道施工中的滲流分析冀荷黎

壓氣新奧法隧道施工中的滲流分析冀荷黎

摘要：壓氣新奧法隧道施工具有解決地下水問題、減小地面沉陷、減低施工成本等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)壓氣新奧法隧道施工必須準(zhǔn)確掌握滲流場(chǎng)的分布與變化規(guī)律、施工環(huán)節(jié)的補(bǔ)氣量及對(duì)地下水分布的影響，以提高氣壓的穩(wěn)定性及施工的安全性。關(guān)鍵詞：壓氣新奧法隧道施工；滲流；施工原理；一、概述1.在存在地下水的不良巖土體中開挖隧道時(shí)，需要解決地下水的問題。第一，通過灌漿等方法改變巖土體的滲透系數(shù)；第二，通過井點(diǎn)排水等方法使地下水位低于工作面。此外還有凍結(jié)法和壓縮空氣法等。第一種方法主要是向巖土體中注入各種黏結(jié)劑來減小巖土體的滲透系數(shù)，以此達(dá)到防水的目的。由于注入的化學(xué)黏結(jié)劑一般會(huì)對(duì)環(huán)境造成各種影響，隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，現(xiàn)在這種方法受到限制。第二種方法也是比較常用的一種方法，即采用排水井點(diǎn)抽取地下水以降低工作面附近的地下水位。但這種方法會(huì)擾動(dòng)降水井點(diǎn)附近地下水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一方面可能會(huì)使附近污染物的運(yùn)動(dòng)活躍，另一方面，由于大量抽取地下水，引起地下水位下降，造成河流、泉水枯竭，破壞城市景觀，同時(shí)還會(huì)引起較大面積的地面沉降，危及已有建筑物的安全。過海、過江隧道遇到漏水嚴(yán)重的情況時(shí)，由于水流滲透梯度方向指向洞內(nèi)，極易危及隧道的穩(wěn)定和安全。2.在歐美、中東及澳大利亞等地區(qū)，許多主要的隧道及沉箱工程作業(yè)中都使用了壓氣技術(shù)。根據(jù)文字紀(jì)錄，英國(guó)于1851年最早使用壓氣隧道施工技術(shù)。壓氣隧道施工技術(shù)從發(fā)明到現(xiàn)在，在巖土工程的很多領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。1979年德國(guó)慕尼黑地鐵隧道施工中，使用了噴射混凝土與壓縮空氣相、結(jié)合的方法，并獲得了成功。由于比較高的空氣壓力會(huì)危害工人的健康，壓氣隧道施工法在各國(guó)的應(yīng)用逐漸受到了限制。許多國(guó)家對(duì)壓氣隧道施工的工作氣壓力大小作了規(guī)定，合法的工作氣壓一般為（3.0～3.5）x105Pa，大致與3.0～3.5個(gè)大氣壓相當(dāng)。在這之后，壓縮空氣隧道施工技術(shù)沉寂了相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間。后來，壓縮空氣作為止水和減小地面沉降的一種手段，同新奧法結(jié)合之后又重新煥發(fā)出活力，到上個(gè)世紀(jì)末，已經(jīng)有多個(gè)成功使用的案例。這種將壓縮空氣隧道施工技術(shù)與新奧法相結(jié)合的方法稱為壓氣新奧法隧道施工技術(shù)。另外，壓氣式盾構(gòu)法施工中也利用了與壓氣新奧法隧道施工技術(shù)類似的原理。由于兩者利用壓縮空氣的重點(diǎn)原理類似，就目前的情況來看，文中只對(duì)壓氣新奧法施工技術(shù)中的滲流問題進(jìn)行分析。無論是壓氣新奧法或壓氣盾構(gòu)法施工技術(shù)，在城市隧道水下施工以及跨海、過江隧道施工中都是一種可行的選擇。3.隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市交通面臨著嚴(yán)峻壓力，在這種情況下，各大中城市紛紛規(guī)劃或上馬了一系列的地鐵或城鐵工程。另外，一些跨海、過江隧道也在規(guī)劃或開始施工，這也為隧道施工技術(shù)的發(fā)展提供了良好的平臺(tái)。從技術(shù)的觀點(diǎn)來看，現(xiàn)代工程師已經(jīng)采用了各種各樣的方法來解決隧道施工中遇到的各種難題。但對(duì)于淺埋、同時(shí)對(duì)巖土一環(huán)境方面要求嚴(yán)格的城鐵或地鐵等隧道施工來說，這些問題仍然很棘手，而壓氣隧道施工技術(shù)則可以很好地解決這些問題。例如，2017年6月底至7月初，滬昆高鐵貴州段連續(xù)發(fā)生多起危及行車安全，干擾運(yùn)輸秩序，影響運(yùn)輸效率和效益的質(zhì)量問題。“原設(shè)計(jì)時(shí)速300km/h的中國(guó)高鐵最大跨度橋梁——北盤江特大橋兩側(cè)隧道滲水嚴(yán)重，動(dòng)車至此必須限速至70km/h低速通過；此前，滬昆高鐵湖南段也曾被媒體曝光大量使用不合格設(shè)備材料，后被上級(jí)部門勒令進(jìn)行整改?！苯?jīng)過鐵路總公司組成專項(xiàng)檢查組，對(duì)滬昆高鐵貴州段部分隧道質(zhì)量問題進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)個(gè)別隧道存在偷工減料、內(nèi)業(yè)資料弄虛作假等嚴(yán)重質(zhì)量問題。二、壓氣新奧法隧道施工的原理壓氣新奧法隧道施工是指隧道內(nèi)部以施加超壓Pr來規(guī)避地下水向隧道滲流的問題，以保持氣壓與水壓間的動(dòng)態(tài)平衡，并最終達(dá)到止水的目的。研究證實(shí)，壓氣新奧法隧道施工所用的材料不屬腐蝕性的化學(xué)材料，同時(shí)對(duì)周圍的地下水環(huán)境亦無任何改變性作用，此外若周圍環(huán)境具有較高的施工要求，那么壓氣新奧法隧道施工方法的應(yīng)用具有可行性。上述研究?jī)?nèi)容可知，壓氣新奧法隧道施工方法具有諸多優(yōu)點(diǎn)，即改變土體的有效應(yīng)力狀態(tài)；減小地面沉降量；降低土的比重及減小隧道荷載；對(duì)隧道掌子面起支撐作用等，因此壓氣新奧法已被全面應(yīng)用到城市隧道施工領(lǐng)域。壓氣新奧法隧道施工過程，隧道內(nèi)壓縮空氣的超壓作用可使隧道內(nèi)的空氣經(jīng)噴射混凝土襯砌及隧道掌子面泄露至外部空間。實(shí)際施工過程，若要使隧道內(nèi)壓力與工作要求的壓力相符，那么必須準(zhǔn)確確定出隧道內(nèi)的供氣量及超壓大小，此乃壓氣新奧法隧道施工技術(shù)被成功使用的前提，同時(shí)此類問題的解決方法尚無定數(shù)。若從實(shí)際工程方面而言，壓氣新奧法隧道施工技術(shù)可被看作科學(xué)與藝術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)物，同時(shí)實(shí)際設(shè)計(jì)方面壓力及耗氣量的確定尚無可靠的方法，因此解答與壓氣新奧法隧道施工技術(shù)有關(guān)的問題同樣存有難度，而此尬尷局面主要因未全面了解隧道四周水及氣體的滲漏場(chǎng)所致。但需注意并非實(shí)際施工過程，壓氣新奧法隧道施工技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)性能夠直接消除對(duì)隧道穩(wěn)定性及排水的正確理解。三、壓氣新奧法隧道施工的研究現(xiàn)狀壓氣新奧法的使用時(shí)間已相當(dāng)長(zhǎng)，因此實(shí)際施工方面所積累的經(jīng)驗(yàn)十分豐富。壓氣新奧法隧道施工的影響因素相當(dāng)多，因此必須高度重視所應(yīng)當(dāng)考慮的問題，同時(shí)因?yàn)閴簹庑聤W法隧道施工涉及到壓縮空氣問題，所以必須著重考慮壓縮空氣的影響。針對(duì)壓氣新奧法隧道施工所涉及的諸多影響因素，具體包括漏氣量的準(zhǔn)確確定、壓縮空氣影響區(qū)域的確定兩大關(guān)鍵性問題，其中對(duì)漏氣量的準(zhǔn)確確定可實(shí)現(xiàn)對(duì)工作氣壓及供氣裝置的確定；對(duì)壓縮空氣影響區(qū)域的確定可實(shí)現(xiàn)對(duì)施工段沿線建筑物被影響程度的掌握。實(shí)際施工過程目前已積累眾多有關(guān)漏氣量估算的經(jīng)驗(yàn)公式，若從壓氣新奧法而言，工程師必須如期完成相關(guān)準(zhǔn)備工作，即確定出漏氣量的最大值；確定出正常工作壓被維持所需的供氣設(shè)施，其中施工過程氣閘、管道接頭、管路等屬主要的漏氣地方，具體以掌子面尤甚。四、數(shù)值模擬壓氣新奧法隧道施工物理方面極具復(fù)雜性，外加采用經(jīng)典氣體定律來分析土體內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)尚存有較大困難，所以最好采用數(shù)值模擬的方法來解答上述問題。本章節(jié)主要介紹數(shù)值模擬的控制方程式及工作氣壓、漏氣量的計(jì)算。2.工作氣壓及漏氣量的計(jì)算，研究證實(shí)，漏氣量的正確估算對(duì)壓氣新奧法隧道施工技術(shù)的有效應(yīng)用至關(guān)重要。主要用來估算隧道正常工作所需的補(bǔ)氣量，因此表現(xiàn)出計(jì)算簡(jiǎn)單便捷的優(yōu)點(diǎn)，但卻難以有效反映出壓縮空氣的影響區(qū)域及襯砌、土體的性質(zhì)。不同經(jīng)驗(yàn)公式的估算值間存有較大差異，其中隧道底拱距地下水位的距離與不同經(jīng)驗(yàn)公式間的差異呈正相關(guān)。若隧道底拱距地下水位的距離＜13m，那么兩種經(jīng)驗(yàn)公式的估算值均較有限元解小；若