盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)計算方法與流程

本發(fā)明涉及一種屬隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)計算領(lǐng)域，具體涉及一種盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)滲透平均系數(shù)的確定方法。

背景技術(shù)：

盾構(gòu)隧道由管片拼裝而成，管片與管片之間的接縫叫做接頭。滲水是運營隧道的主要病害之一，而接頭是盾構(gòu)隧道滲水的主要部位，混凝土管片滲水量與接頭相比較少。但在設(shè)計和施工的實踐中，為了不使計算變得過于復(fù)雜，通常將隧道襯砌簡化為均值圓環(huán)，認為襯砌各處滲透系數(shù)相等，稱為襯砌平均滲透系數(shù)。因此準確確定隧道襯砌的平均滲透系數(shù)對得到正確的計算結(jié)果具有重要意義。目前關(guān)于襯砌平均滲透系數(shù)的確定方法主要有以下幾種方法：

(1)忽略接頭法

在某些設(shè)計中，忽略了襯砌接頭對隧道的影響，認為隧道是由混凝土管片構(gòu)成的均質(zhì)圓環(huán)，且視混凝土為不透水材料，認為地下水不會由襯砌滲入隧道。這種方法與實際情況不符，使隧道承受了較大的外部水壓力，因此計算結(jié)果與實際情況也有一定的出入。

(2)經(jīng)驗法

在工程實踐中，隧道周圍地層的滲透系數(shù)可由前期勘探結(jié)果得到。經(jīng)驗法即在隧道周圍地層滲透系數(shù)已知的情況下，根據(jù)經(jīng)驗人為給定襯砌平均滲透系數(shù)與隧道周圍地層滲透系數(shù)的比值，從而計算出襯砌平均滲透系數(shù)。然而由于該比值是根據(jù)經(jīng)驗人為確定的，具有較大的主觀性，也較難得到比較正確的襯砌平均滲透系數(shù)，計算結(jié)果與實際情況也有一定出入。

(3)數(shù)值法

在數(shù)值建模擬軟件中將隧道襯砌模擬為均質(zhì)圓環(huán)，人為確定一組平均滲透系數(shù)，將其依次賦給均質(zhì)圓環(huán)進行數(shù)值計算。若計算得到的滲漏量與實際滲漏量相差不大，便人為當前值為襯砌的平均滲透系數(shù)。該方法可以確定一個與襯砌平均滲透系數(shù)真實值相差不大的數(shù)值解，但其過程復(fù)雜，估計滲透系數(shù)范圍時需要經(jīng)驗支撐，也不容易求出最優(yōu)解。

現(xiàn)有的計算方法主要存在以下兩個方面的問題：1、依靠經(jīng)驗支撐，計算前需要對襯砌平均滲透系數(shù)值的范圍進行大致判別，計算結(jié)果與實際情況存在一定誤差。2、主觀性強，需要人為給定參數(shù)，且該參數(shù)隨接頭構(gòu)造與隧道周圍地層水文地質(zhì)條件的不同有所改變，不利于進行軟件計算，無法進行商業(yè)軟件開發(fā)。目前襯砌平均滲透系數(shù)的確定主要還是以經(jīng)驗法為主，在部分設(shè)計中直接忽略混凝土管片與接頭的滲水性。這兩種方法所得到的襯砌平均滲透系數(shù)均與其真實值有一定誤差，從而對設(shè)計階段的隧道內(nèi)力、變形以及運營階段的隧道耐久性和沉降等計算都會產(chǎn)生一定的影響。因此正確確定襯砌平均滲透系數(shù)對于指導(dǎo)合理設(shè)計、施工具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種計算盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)平均滲透系數(shù)的方法，更準確地計算襯砌平均滲透系數(shù)的值。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)平均滲透系數(shù)的計算方法，其特征是按如下步驟實施：

(1)利用已有集水井量測該區(qū)段內(nèi)滲入隧道的地下水總體積V_l；

(2)計算隧道單位時間單位面積滲漏量Q_l：首先計算出集水區(qū)段隧道的外表面積S和集水時間t，用V_l除以S與t的乘積，便得到隧道單位時間單位面積滲漏量Q_l；

(3)計算隧道單位時間單位面積滲漏量Q_s；由于土體中的滲漏水由隧道接頭全部滲入隧道中，故Q_s等于Q_l；

(4)確定隧道基本幾何參數(shù)：確定隧道外徑R、內(nèi)徑r₀、地表到隧道中心的距離h；

(5)確定隧道周圍地層的滲透系數(shù)k_s；

(6)計算隧道與地層交界面的水頭高度H_R；根據(jù)隧道外徑R、內(nèi)徑r₀、地表到隧道中心的距離h，以及隧道周圍地層的滲透系數(shù)k_s，計算出隧道與地層交界面的水頭高度H_R；

(7)計算隧道襯砌平均滲透系數(shù)k_l；根據(jù)隧道外徑R、內(nèi)徑r₀、地表到隧道中心的距離h，以及隧道與地層交界面的水頭高度H_R，計算出隧道襯砌平均滲透系數(shù)k_l。其中k_l通過聯(lián)立以下兩個方程進行計算：

本發(fā)明為了建立更準確的襯砌平均滲透系數(shù)計算方法，以設(shè)置集水井的方式得到隧道的滲流量，根據(jù)隧道的基本幾何參數(shù)和隧道周圍地層的滲透系數(shù)，從理論上推導(dǎo)了襯砌平均滲透系數(shù)的計算公式，和其他襯砌平均滲透系數(shù)的計算方法相比較，具有如下特點：

(1)襯砌平均滲透系數(shù)完全由數(shù)學(xué)公式計算得出，且所有用于計算的參數(shù)具有客觀性，不依賴于經(jīng)驗判斷，避免了計算過程中的主觀影響；

(2)計算程序固定，參數(shù)較少且較好獲得，計算公式較少，計算量小，可用于商業(yè)軟件的二次開發(fā)；

(3)使用該方法計算得到的平均襯砌滲透系數(shù)更為準確，對于正確計算隧道內(nèi)力、變形以及準確預(yù)測隧道運營階段的病害情況具有積極意義；

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖。

圖2計算過程中涉及到的參數(shù)示意圖。

圖3為算例示意圖。

圖4為隧道管片錯縫拼裝軸測圖示意圖。

圖5為隧道集水井示意圖。

具體實施方式

參見圖1，實施步驟如下：

(1)開始；

(2)利用已有集水井量測該區(qū)段內(nèi)滲入隧道的地下水總體積V_l；

(3)計算隧道單位時間單位面積滲漏量Q_l：首先計算出集水區(qū)段隧道的外表面積S和集水時間t，用V_l除以S與t的乘積，便得到隧道單位時間單位面積滲漏量Q_l；

(4)計算隧道單位時間單位面積滲漏量Q_s；由于土體中的滲漏水由隧道接頭全部滲入隧道中，故Q_s等于Q_l；

(5)確定隧道基本幾何參數(shù)：確定隧道外徑R、內(nèi)徑r₀、地表到隧道中心的距離h；

(6)確定隧道周圍地層的滲透系數(shù)k_s；

(7)計算隧道與地層交界面的水頭高度H_R；根據(jù)隧道外徑R、內(nèi)徑r₀、地表到隧道中心的距離h，以及隧道周圍地層的滲透系數(shù)k_s，計算出隧道與地層交界面的水頭高度H_R；

(8)計算隧道襯砌平均滲透系數(shù)k_l；根據(jù)隧道外徑R、內(nèi)徑r₀、地表到隧道中心的距離h，以及隧道與地層交界面的水頭高度H_R，計算出隧道襯砌平均滲透系數(shù)k_l。

其中k_l通過聯(lián)立以下兩個方程進行計算：

本發(fā)明基于滲流理論，建立了襯砌平均滲透系數(shù)計算的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)隧道幾何參數(shù)和隧道周圍地層滲透系數(shù)計算出襯砌平均滲透系數(shù)，該結(jié)果與當前主流的經(jīng)驗法相比更為準確，受主觀性影響小，不依賴于經(jīng)驗判斷，參數(shù)簡單、計算量小，可用于商業(yè)軟件的二次開發(fā)。對于設(shè)計施工過程中得到正確的計算結(jié)果具有積極意義。

下面通過實例進一步描述本發(fā)明

某盾構(gòu)隧道中心距地表15m，外徑和內(nèi)徑分別為6.3m和6m，隧道周圍為軟土地層，其滲透系數(shù)為k_s＝3×10^-9m/s，楊氏彈性模模量E＝10MPa，泊松比ν＝0.3，地下水位位于地表。測量所得的滲漏段內(nèi)單位面積單位時間的滲水量Q_l＝9.3×10^-9m/s。

隧道中的水全部由土體中滲漏而來，故Q_s＝Q_l＝9.3×10^-9m/s。

于是由公式可算的隧道與土體的交界面處的水頭大小為：

再由公式可算得襯砌的平均滲透系數(shù)為：

。