隧道正常排水计算结果分析

为探明隧道排水系统正常排水状态下二衬背后水压力与排水量之间的关系,通过改变隧道内排水管水压主动调控排水量,计算中分为5种工况对不同排水管水压进行研究,分别为静水压的0%,20%,40%,60%,80%。同时,对各个工况在不同注浆加固范围(无注浆、2 m注浆圈、4 m注浆圈)下的水压力进行研究,具体工况分析见表6.3。

表6.3　隧道正常排水时的计算工况

续表

各工况空隙水压力云图如下:

①排水管水压为0(静水压的0%,即排水系统畅通),且无注浆圈时,如图6.20所示。

图6.20　工况一a计算结果(单位:Pa)

②排水管水压为0,且注浆圈厚度为2 m,如图6.21所示。

图6.21　工况一b计算结果(单位:Pa)

③排水管水压为0,且注浆圈厚度为4 m,如图6.22所示。

图6.22　工况一c计算结果(单位:Pa)

④排水管水压为静水压的20%,且无注浆圈时,如图6.23所示。

图6.23　工况二a计算结果(单位:Pa)

⑤排水管水压为静水压的20%,且注浆圈厚度为2 m,如图6.24所示。

图6.24　工况二b计算结果(单位:Pa)

⑥排水管水压为静水压的20%,且注浆圈厚度为4 m,如图6.25所示。

图6.25　工况二c计算结果(单位:Pa)

⑦排水管水压为静水压的40%,且无注浆圈时,如图6.26所示。

图6.26　工况三a计算结果(单位:Pa)

⑧排水管水压为静水压的40%,且注浆圈厚度为2 m,如图6.27所示。

图6.27　工况三b计算结果(单位:Pa)

⑨排水管水压为静水压的40%,且注浆圈厚度为4 m,如图6.28所示。

图6.28　工况三c计算结果(单位:Pa)

⑩排水管水压为静水压的60%,且无注浆圈时,如图6.29所示。

图6.29　工况四a计算结果(单位:Pa)

○1排水管水压为静水压的60%,且注浆圈厚度为2 m,如图6.30所示。

图6.30　工况四b计算结果(单位:Pa)

○12排水管水压为静水压的60%,且注浆圈厚度为4 m,如图6.31所示。

图6.31　工况四c计算结果(单位:Pa)

○13排水管水压为静水压的80%,且无注浆圈时,如图6.32所示。

图6.32　工况五a计算结果(单位:Pa)

○14排水管水压为静水压的80%,且注浆圈厚度为2 m,如图6.33所示。

图6.33　工况五b计算结果(单位:Pa)

○15排水管水压为静水压的80%,且注浆圈厚度为4 m,如图6.34所示。

图6.34　工况五c计算结果(单位:Pa)

从图6.20—图6.34可知,注浆圈和二衬背后的水压力呈对称分布,随着设定的排水管水压值不断增大(静水压的0%,20%,40%,60%,80%),即允许排水量越来越小,二衬和注浆圈背后的水压力云图均出现相似的变化过程;排水管水压值为静水压的0%,即排水系统畅通时,二衬背后孔隙水压分布特征明显,在横向和环向排水管位置水压值非常小,而其他区域水压力由拱顶至拱底逐渐增大且对称分布,表明渗入初衬的地下水均正常进入,并由排水系统排出;当排水管水压值达到静水压的80%,即接近排水系统完全堵塞状态(静水压的100%)时,孔隙水压逐渐趋于水平,接近初始应力状态(见6.2.1节、6.2.2小节所述)。注浆圈的水压分布同样明显,在排水管水压值由静水压的0%至静水压的80%变化过程中(工况一至工况五),注浆圈水压分布云图呈现不规则“漏斗状”并逐渐平缓,最终接近水平分布的特征。(www.xing528.com)

为探明二衬和注浆圈背后水压力值的变化特征,分析注浆圈范围对水压力的影响,计算中于不同位置选取水压力观测点。其布置如图6.35所示。

图6.35　二衬和注浆圈背后水压力观测点布置图

其分析结果如下:

①以隧道结构的观测点位置为横坐标,水压力值为纵坐标绘制散点图进行分析(由于篇幅所限,仅以工况一、工况五为例分析)。

a.排水管水压为0(静水压的0%,即排水系统畅通),且无注浆圈时,如图6.36所示。

图6.36　工况一a各观测点水压力

b.排水管水压为0,且注浆圈厚度为2 m时,如图6.37所示。

图6.37　工况一b各观测点水压力

c.排水管水压为0,且注浆圈厚度为4 m时,如图6.38所示。

图6.38　工况一c各观测点水压力

d.排水管水压为80%,且无注浆圈时,如图6.39所示。

e.排水管水压为80%,且注浆圈厚度为2 m时,如图6.40所示。

f.排水管水压为80%,且注浆圈厚度为4 m时,如图6.41所示。

不同注浆范围下,各工况观测点水压力值见表6.4—表6.6。

图6.39　工况五a各观测点水压力

图6.40　工况五b各观测点水压力

图6.41　工况五c各观测点水压力

表6.4　无注浆圈时各观测点水压力值单位104 Pa

表6.5　2 m注浆圈时各观测点水压力值单位:104 Pa

表6.6　4 m注浆圈时各观测点水压力值单位:104 Pa

续表

由表6.4—表6.6中的不同注浆范围下隧道二衬和注浆圈背后各观测点水压力值以及图6.36—图6.41中的各观测点水压力变化规律分析可知,无论排水管水压力与静水压力比值或注浆范围如何改变,相同条件下位于二衬背后、2 m注浆圈外和4 m注浆圈外各观测点水压力量值表现的规律基本相同,均呈现出拱顶水压力量值最小,从拱顶至拱底逐渐增大。但当排水管水压为静水压力的40%以内时,二衬背后拱肩至拱腰的测点水压力值有小幅下降,可能是受排水管位置的影响,也表明保持排水系统畅通对减小拱腰处水压力值较为有利。

由图6.36—图6.38可知(工况一),在无注浆加固时,围岩-支护体系各特征点水压力表现为离二衬越近,拱顶和拱肩的水压力越大,而拱腰及以下部位的特征点则离二衬越近,其水压力量值越小,与隧道拱脚处设置纵向排水管有关;注浆后二衬背后拱腰以上测点水压力值有一定的下降,而拱腰以下测点在注浆后水压力有明显增长,但增长幅度有限,最大水压力量值出现在拱底;当采用2 m注浆圈加固时,2 m注浆圈外观测点和4 m注浆圈外观测点的水压力在相同部位量值基本相同,且大于二衬背后测点,表明当排水系统正常工作时,注浆使地下水有集中于注浆圈外部的趋势,对减小二衬背后的水压力有一定帮助。

由图6.39—图6.41可知,当排水管水压力为静水压的80%时(接近静水压状态,工况五),二衬和注浆圈背后各测点的水压力变化规律与图6.36—图6.38有较大区别,无论注浆圈范围怎样变化,水压力的变化规律都是相似的,拱腰以上部位的测点注浆圈外水压力相对较小,而拱腰以下部位的测点二衬背后的水压力则较小;但各测点水压力量值均远大于其余工况时的对应测点值,表明由于隧道排水能力大幅减弱,控制水压力效果显著;二衬拱腰以上结构的水压力值均大于注浆圈外无加固时的测点,其原因主要是排水管的排水量太小,地下水有集中于二衬背后的趋势,此时注浆圈的作用不再明显,注浆圈背后的水压力可能随时间向二衬背后传递。

②以排水管水压与静水压力比值为横坐标,水压力值为纵坐标绘制散点图进行分析(仅分析二衬背后水压力分布)。

a.二衬拱顶位置水压力如图6.42所示。

b.二衬拱肩位置水压力如图6.43所示。

图6.42　二衬拱顶位置水压力

图6.43　二衬拱肩位置水压力

c.二衬拱腰位置水压力如图6.44所示。

d.二衬拱脚位置水压力如图6.45所示。

e.二衬拱底位置水压力如图6.46所示。

图6.44　二衬拱腰位置水压力

图6.45　二衬拱脚位置水压力

图6.46　二衬拱底位置水压力

由图6.42—图6.46可知,二衬背后各部位特征点变化规律基本相同,均表现出随着排水管压力与静水压力比值增加,其水压力值也递增的趋势,表明隧道排水量大小直接影响结构水压分布;从注浆效果分析,注浆对拱底部位测点影响较大,水压力存在一定改善,随着注浆范围扩大其水压力值有减小的趋势,施工中仍需重点监控该部位的水压力变化。