[发明专利]一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下建筑工程技术领域的方法，具体是一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法。

背景技术

目前，隧道工程在我国东南沿海地区得到大规模发展，盾构法由于其施工工期短、自动化程度高、不干扰地面交通、不损伤地下管线等优点在软土地区得到了广泛的应用。盾构法是利用盾构机进行隧道开挖、衬砌等作业的施工方法，其衬砌是由混凝土管片拼装并通过螺栓连接而成。为防止地下水渗入隧道，管片之间常采用弹性密封垫止水。然而，在隧道长期运营条件下，由于螺栓松弛、管片损伤、密封垫老化、隧道结构变形引起接缝张开等原因，隧道局部渗漏现象时有发生。隧道局部渗漏不仅增加隧道内空气湿度，造成隧道管片劣化和设备老化，而且使周围土体发生固结沉降，造成隧道结构的长期变形。Mair,R.J.于2008年在《Géotechnique》(土木工程技术)发表的《Tunnellingandgeotechnics:Newhorizons》(隧道与土工技术：新视野)中指出：“渗漏水促使隧道周围土体的孔压减小、有效应力增大，进而引起地层固结及隧道自身结构变形。”在运营期间准确确定渗漏引起的结构附加内力及变形、提出相应的隧道结构加固保护措施，对保证隧道长期安全使用具有非常重要的意义。

经过对现有技术文献的检索发现，隧道渗漏引起隧道结构变形沉降的分析主要是将隧道衬砌的渗透性作均匀化处理，即采用等效渗透系数法，假设隧道四周具有相同的渗透性。如张冬梅等在2013年于《同济大学学报》发表的《软土盾构隧道渗流引起的地层和隧道沉降》中将盾构隧道的渗流等效处理，在二维平面渗流条件下，计算渗流引起的地层和隧道沉降；郑永来等在2005年于《岩土工程学报》发表的《软土隧道渗漏对隧道及地面沉降影响研究》中采用等效渗透系数法，将隧道横断面分为上、下两个部分并分别采用不同的渗透系数来探究渗漏对隧道及地面沉降的影响。然而，对浅埋隧道，衬砌环向不同位置的初始孔隙水压力变化明显，局部渗漏后对周围土体的影响差异较大，简单地对衬砌渗透性作均匀化处理，无法体现局部渗漏对隧道结构内力及变形的影响。虽然刘印等在2013年于《岩土力学》发表的《盾构隧道局部长期渗水对隧道变形及地表沉降的影响分析》中考虑了隧道局部渗漏，但其在二维条件下进行隧道局部渗漏的模拟，不仅夸大了渗漏对隧道横向内力及变形的影响，而且无法判断其对纵向结构的影响。

尽管三维有限元模型在隧道变形分析中得到广泛应用，但由于隧道局部渗漏面积往往很小，对渗漏部位进行实体单元网格划分相当困难。因此，当前技术仍缺乏确实可行的局部渗漏影响确定方法，局部渗漏对隧道结构内力及变形的影响仍不得而知，从导致隧道结构缺乏有针对性的保护控制措施。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法，打破了原有的将隧道衬砌渗透性均匀化、无法确定局部渗漏影响的局面，为采取相应的结构加固保护措施提供依据。

本发明是通过以下技术方案实现的：在现场地质调查、隧道设计信息收集的基础上，利用有限元软件建立隧道渗漏的三维流固耦合模型，以具有渗漏面积和渗透系数特性的二节点渗漏单元模拟衬砌局部渗漏。现场排查隧道渗漏情况、确定局部渗漏处实际渗漏面积和实际渗漏速度，并参照有限元模拟确定的渗漏速度与渗透系数相关关系图，确定局部渗漏部位的实际渗透系数。对模型中渗漏单元设置相应的实际渗透系数，依次进行开挖、支护和渗流固结的模拟，最终确定局部渗漏引起隧道结构附加内力及变形，并根据内力或变形最大值确定隧道补强点，采取相应的结构加固保护措施。

具体的，一种衬砌局部渗漏引起隧道结构变形的安全保护方法包括以下步骤：

第一步，对渗漏隧道进行现场勘查，确定隧道沿线的土层划分信息和地下水分布情况，通过钻孔取土进行室内试验确定土层的物理力学参数。

优选地，所述的土层划分是指：在隧道沿线每隔一定距离(比如100m)处用孔压式静力触探检测地表以下50m深度范围土体，确定隧道沿线土体的贯入阻力和孔隙水压与深度的关系曲线。作出以孔隙水压力与贯入阻力之比为横轴，以贯入阻力与初始地层应力之比为纵轴的关系图，并在图上划分若干不同土性特征区，将实测的静力触探曲线的数据标于该图以判断现场土层的类型。将土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线，确定隧道沿线的土层划分信息。

优选地，所述的地下水分布情况是指：通过钻孔探揭露的土体类型判断含水层类型及厚度。钻井观测不同含水层的稳定水位；对于承压含水层，应采取隔水措施将被测含水层和其他含水层隔离后测其稳定水位。