工程实例中理论计算应用研究成果

1)工程实例背景介绍

深圳某大型地下立交工程埋深在9.900～17.895 m,该区域基岩受F9断层构造带影响,形成了如角砾岩、糜棱岩及破碎岩等构造岩体,水稳性较差,岩芯多呈砂砾状、碎块状和块状,但现场水文试验[见图6.5(a)]显示构造岩渗透性较差,断层带为压扭性断层,不利于水库与隧道间的导水效应。莲塘山地区属高水位段,隧道埋深在25.076～117.600 m,隧址区为中风化～微风化基岩,大多数裂隙发育、岩体破碎,局部具硅化特征或石英富集,铁质浸染明显,水蚀现象显著[见图6.5(b)],岩芯表面多见水蚀溶孔及溶隙,表明该地区地下水活动频繁。

图6.5　现场试验及岩石水蚀现象

2)高水位城市隧道排水量与水压力间的关系

选择北线主隧道莲塘山高水位段(里程BXK2+720处,Ⅲ级围岩,见图6.6)进行理论计算。根据其水文地质勘察可知,初始水头h为45.25 m,汛期降雨量p为1 020.6 mm(据深圳市气象局相关资料),CN经验值根据工程实际情况选取61,由式(6.3)解得计算水头h0为45.42 m;其隧道影响范围内的含水层从上至下依次为:强风化变质砂岩(层厚10.65 m,渗透系数0.5 m/d)、中风化变质砂岩(层厚1.60 m,渗透系数为0.5 m/d)、微风化变质砂岩(层厚78.59 m,渗透系数为0.15 m/d),现场抽水试验水头降落高度Sw为3.45 m,由式(6.7)解得围岩平均渗透系数为0.201 m/d;隧道衬砌内半径r为7.107m,二衬厚0.35 m,渗透系数K1为8.64×10-4m/d,初衬厚0.2 m,渗透系数K2为8.64×10-3 m/d。

通过改变二衬渗透系数控制隧道运营期排水量,从而调节二衬外水压力,本次计算采用将二衬渗透系数K1分别放大和缩小5倍、10倍、50倍、100倍进行研究,并利用式(6.23)和式(6.25)求解不同注浆圈渗透系数和厚度时高水位城市隧道排水量与二衬外水压力间的关系。其计算结果如图6.7所示。

由图6.7可知,二衬外水压力随隧道排水量增加呈线性降低。当注浆加固效果提高,即注浆圈渗透系数减小或厚度增加,水压力-排水量关系曲线斜率逐渐增大,但相比于注浆圈厚度,注浆圈渗透系数的改变对水压力随排水量的折减效应更加明显。

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图6.6　理论计算选择隧道区间概况图

图6.7　高水位城市隧道排水量与二衬外水压力的关系

3)低水位城市隧道排水量与水压力间的关系

选择南线主隧道水库下游低水位段(里程NXK1+802处,Ⅴ级围岩,见图6.6)进行理论计算,其初始水头h为15.32 m,由式6.3解得计算水头h0为15.49 m;隧道影响范围内的含水层从上至下依次为:细砂(层厚2.05 m,渗透系数0.5 m/d)、强风化变质砂岩(层厚2.89 m,渗透系数0.3 m/d)、微风化花岗片麻岩(层厚44.02 m,渗透系数0.08 m/d),现场抽水试验水头降落高度Sw为1.5 m,由式(6.7)解得围岩平均渗透系数为0.112 m/d;隧道衬砌内半径r为7.107 m,二衬厚0.60 m,渗透系数K1为8.64×10-4 m/d,初衬厚0.28 m,渗透系数K2为8.64×10-3m/d。利用式(6.34)和式(6.35)求解不同注浆圈渗透系数和厚度时低水位城市隧道排水量与二衬外拱底处水压力间的关系。其计算结果如图6.8所示。

由图6.8可知,低水位城市隧道排水量随水压力的变化规律同高水位时类似。当注浆圈渗透系数的增减比例相同时,其水压力随排水量的折减速率更快;当注浆圈厚度增减量值相同时,高、低水位隧道水压力随排水量的折减速率基本相同。

图6.8　低水位城市隧道排水量与二衬外水压力的关系