[發明專利]一種測量深埋隧洞襯砌外水壓力的監測裝置及方法

在審

• 申請號: 202011267873.0
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112282849A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 段慶偉;姜龍;王玉杰;劉立鵬;曹瑞瑯;孫平;張強;趙宇飛
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: E21F17/18
• 分類號: E21F17/18;E21F17/00;G06F30/20
• 代理公司: 成都中弘信知識產權代理有限公司 51309
• 代理人: 張芳

本發明屬于襯砌水壓力測量領域，提供了一種測量深埋隧洞襯砌外水壓力的監測裝置及方法，所述裝置包括鉆孔和滲壓計，所述鉆孔于深埋隧洞側壁中部沿水平方向鉆取，并延伸至地下水弱擾動區以外；所述滲壓計沿所述鉆孔內部分布埋設，且每個所述滲壓計的外部通過中粗砂進行包裹壓實。本發明通過將深埋隧洞不同位置處的滲壓計數據輸入不同位置處所對應的遠場水頭模型中，分別進行計算，實現了深埋隧洞不同位置的地下水分布式監測，解決了隧洞開挖后地下水受開挖影響的時空規律監測不完整的問題，有利于為深埋隧洞襯砌結構設計計算提供科學依據，為深埋隧洞工程結構長期安全運行提供重要保障。

技術領域

本發明涉及襯砌水壓力測量領域，尤其涉及一種測量深埋隧洞襯砌外水壓力的監測裝置及方法。

背景技術

在一些山嶺隧道的修建中，隧道的埋置深度大，隧道穿越富水區，水頭高，例如圓梁山隧道和錦屏交通隧道，如何在不影響生態環境的條件下，安全、可靠地進行隧道設計、施工和運營，其中一個關鍵的問題就是如何確定襯砌上水壓力大小。

目前，在隧道襯砌水荷載的計算中，鐵路、交通部門還沒有制定統一的規范，大多還是參照水工隧洞設計規范和經驗方法，有關水荷載的論述也散見于各部門和學科的專著及專業雜志上。水工隧洞中襯砌水荷載一般包括內水壓力和外水壓力兩部分，二者作用對象均為襯砌。外水壓力是和有壓隧洞中內水壓力相對而言的，而鐵路、公路隧道一般不存在內水壓力，通常簡稱為“水壓力”，故其襯砌水荷載與外水壓力指的是同一個概念。

目前，隧道襯砌外水壓力的計算和處理方法常見以下4種方法：

(1)在淺埋礦山法修建的山嶺隧道中，對地下水處理采用“以排為主”的條件下，鐵路隧道設計規范不考慮襯砌承受水壓力；但有研究表明：在襯砌背后設置透水墊層排放地下水的情況下，襯砌仍然要承受一定的水壓力。在城市地下地鐵隧道不允許地下水排放時或采用全封堵防水，襯砌上水壓力采用該處的靜水壓力(即該處的靜水頭)；

(2)水頭較高的山嶺隧道，為了保護隧道周邊的地下水資源和環境的要求，不能采取“以排為主”的條件下，采取“以堵為主，限量排放”的原則時，給隧道工程界對隧道水壓力的計算提出了新的問題，以往隧道襯砌所受的水壓力沒有給予足夠的重視，因此，這方面的研究資料較缺乏，可以說沒有規范、公認的方法和規律可循。在水利水電工程上，早些時候就對水壓力進行了較多的研究，并制訂了相應的設計規范，因此鐵路隧道在遇到高水壓的時候，多借鑒水工隧道計算水壓力的方法，即外水壓力折減系數法。

(3)鐵路、公路隧道工程由于隧道防排水系統的設置與水利、水電工程上的隧道還是存在著很多的差別，只是運用折減系數法明顯存在著不足，因此隨著近年來高水位富水區鐵路隧道的修建，對這方面的研究工作也開始展開，采用的研究方法也不盡相同，但大體上是從折減系數法，逐漸按均質圍巖假定，按照達西滲流定律，對隧道圍巖滲流場進行分析，來確定襯砌上的外水壓力。

(4)隧道襯砌水壓力的大小與隧道圍巖介質(裂隙、均質)圍巖滲透性、地下水的水頭有關，也與隧道圍巖內的應力狀態有關，這就是滲流場與圍巖應力場耦合作用的問題，從理論上來講考慮耦合作用是比較精確和合理的一種方法，滲流場與圍巖應力場耦合作用研究的成果主要是對壩基工程較多，多用于對涌水量的研究，但針對隧道工程的排水和結構特點對襯砌上作用水壓力研究的還是很少，因此進行這方面的研究需要進行較多的模型試驗和現場測試。

國內關于外水壓力折減系數的規范性指導文件較少，而國外對外水壓力及折減系數的取值亦極不統一，大體有以下3種情況：(1)折減系數法，根據不同工程統計，βe值約在0.15～0.9之間。澳大利亞、美國及日本有時用此法。(2)全水頭法(βe＝1)，美國及法國常用。(3)可能最大水頭值。美國、加拿大及巴西等國，常將隧洞襯砌所承受的靜水頭計算到地表。對于不同的襯砌結構類型(封堵型、排堵結合型)，外水壓力折減概念有無及取值大小不同。