[发明专利]一种测量深埋隧洞衬砌外水压力的监测装置及方法

说明书

本发明属于衬砌水压力测量领域，提供了一种测量深埋隧洞衬砌外水压力的监测装置及方法，所述装置包括钻孔和渗压计，所述钻孔于深埋隧洞侧壁中部沿水平方向钻取，并延伸至地下水弱扰动区以外；所述渗压计沿所述钻孔内部分布埋设，且每个所述渗压计的外部通过中粗砂进行包裹压实。本发明通过将深埋隧洞不同位置处的渗压计数据输入不同位置处所对应的远场水头模型中，分别进行计算，实现了深埋隧洞不同位置的地下水分布式监测，解决了隧洞开挖后地下水受开挖影响的时空规律监测不完整的问题，有利于为深埋隧洞衬砌结构设计计算提供科学依据，为深埋隧洞工程结构长期安全运行提供重要保障。

技术领域

本发明涉及衬砌水压力测量领域，尤其涉及一种测量深埋隧洞衬砌外水压力的监测装置及方法。

背景技术

在一些山岭隧道的修建中，隧道的埋置深度大，隧道穿越富水区，水头高，例如圆梁山隧道和锦屏交通隧道，如何在不影响生态环境的条件下，安全、可靠地进行隧道设计、施工和运营，其中一个关键的问题就是如何确定衬砌上水压力大小。

目前，在隧道衬砌水荷载的计算中，铁路、交通部门还没有制定统一的规范，大多还是参照水工隧洞设计规范和经验方法，有关水荷载的论述也散见于各部门和学科的专著及专业杂志上。水工隧洞中衬砌水荷载一般包括内水压力和外水压力两部分，二者作用对象均为衬砌。外水压力是和有压隧洞中内水压力相对而言的，而铁路、公路隧道一般不存在内水压力，通常简称为“水压力”，故其衬砌水荷载与外水压力指的是同一个概念。

目前，隧道衬砌外水压力的计算和处理方法常见以下4种方法：

(1)在浅埋矿山法修建的山岭隧道中，对地下水处理采用“以排为主”的条件下，铁路隧道设计规范不考虑衬砌承受水压力；但有研究表明：在衬砌背后设置透水垫层排放地下水的情况下，衬砌仍然要承受一定的水压力。在城市地下地铁隧道不允许地下水排放时或采用全封堵防水，衬砌上水压力采用该处的静水压力(即该处的静水头)；

(2)水头较高的山岭隧道，为了保护隧道周边的地下水资源和环境的要求，不能采取“以排为主”的条件下，采取“以堵为主，限量排放”的原则时，给隧道工程界对隧道水压力的计算提出了新的问题，以往隧道衬砌所受的水压力没有给予足够的重视，因此，这方面的研究资料较缺乏，可以说没有规范、公认的方法和规律可循。在水利水电工程上，早些时候就对水压力进行了较多的研究，并制订了相应的设计规范，因此铁路隧道在遇到高水压的时候，多借鉴水工隧道计算水压力的方法，即外水压力折减系数法。

(3)铁路、公路隧道工程由于隧道防排水系统的设置与水利、水电工程上的隧道还是存在着很多的差别，只是运用折减系数法明显存在着不足，因此随着近年来高水位富水区铁路隧道的修建，对这方面的研究工作也开始展开，采用的研究方法也不尽相同，但大体上是从折减系数法，逐渐按均质围岩假定，按照达西渗流定律，对隧道围岩渗流场进行分析，来确定衬砌上的外水压力。

(4)隧道衬砌水压力的大小与隧道围岩介质(裂隙、均质)围岩渗透性、地下水的水头有关，也与隧道围岩内的应力状态有关，这就是渗流场与围岩应力场耦合作用的问题，从理论上来讲考虑耦合作用是比较精确和合理的一种方法，渗流场与围岩应力场耦合作用研究的成果主要是对坝基工程较多，多用于对涌水量的研究，但针对隧道工程的排水和结构特点对衬砌上作用水压力研究的还是很少，因此进行这方面的研究需要进行较多的模型试验和现场测试。

国内关于外水压力折减系数的规范性指导文件较少，而国外对外水压力及折减系数的取值亦极不统一，大体有以下3种情况：(1)折减系数法，根据不同工程统计，βe值约在0.15～0.9之间。澳大利亚、美国及日本有时用此法。(2)全水头法(βe＝1)，美国及法国常用。(3)可能最大水头值。美国、加拿大及巴西等国，常将隧洞衬砌所承受的静水头计算到地表。对于不同的衬砌结构类型(封堵型、排堵结合型)，外水压力折减概念有无及取值大小不同。