鐵路隧道施工的“控制排水”原則
添加時(shí)間：2015/10/30 13:08:42 人氣：10241
隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的進(jìn)一步加大投入，鐵路隧道工程得到了前所未有的發(fā)展?！岸?、長(zhǎng)、大、深”，即數(shù)量多，長(zhǎng)度大、大斷面、大埋深，是今后隧道工程的發(fā)展趨勢(shì)。
然而，隨著隧道工程的發(fā)展，與隧道施工過(guò)程中相應(yīng)的一系列問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，并且也日益嚴(yán)重，比如，與環(huán)境問(wèn)題息息相關(guān)的地下水問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。一般而言，不論在施工中還是在通車后，隧道結(jié)構(gòu)時(shí)刻處于地下水的包圍之中，1985年以前的有關(guān)規(guī)范、規(guī)則，幾乎都未把隧道工程建設(shè)與環(huán)境工程作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)考慮，沒(méi)有關(guān)于隧道開(kāi)挖及地下水對(duì)生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的專門條款和規(guī)定。在實(shí)際工程中，突出 了以排為主，大多數(shù)隧道工程（特別是山嶺隧道），不論涌、滲水的補(bǔ)給來(lái)源及水量大小與否，施工中多不作預(yù)處理，因而使隧道成了泄水洞，吸取了周圍大量的地下水，造成地下水的流失，產(chǎn)生了一系列的環(huán)境問(wèn)題。
1、“以排為主”的主要缺點(diǎn)
經(jīng)驗(yàn)證明，地下水處理“以排為主”，隧道施工過(guò)程中以及后來(lái)的隧道運(yùn)營(yíng)期，長(zhǎng)期排放地下水，在隧道內(nèi)存在不同程度的水害，且逐年發(fā)展，影響襯砌結(jié)構(gòu)和行車安全；環(huán)境方面造成工程地區(qū)含水層被疏干，使生態(tài)環(huán)境惡化，主要表現(xiàn)為：地表和泉、井枯竭；生活，工農(nóng)業(yè)用水缺乏，地表沉降、土壤沙化、水土流失等。嚴(yán)重影響了人民的生活和生產(chǎn)建設(shè)。
（1）地下水從隧道大量流失，圍巖中的地下水通道（巖層節(jié)埋裂隙或巖溶管道）中的充填物被水沖走，貫通性愈來(lái)愈好，致使洞內(nèi)流量不斷增大。貴昆線稞納隧道通車后涌水頻率逐年提高，開(kāi)始時(shí)數(shù)年一次，以后每年一次，近年來(lái)一年數(shù)次；剛剛修建的渝懷線武隆隧道，2002年涌水量最大為200×104m3/d，2003年涌水量猛增到780×104m3/d，為中國(guó)歷史上所罕見(jiàn)。
（2）隨著隧道內(nèi)涌水量的增多，襯砌滲漏變形、路面翻漿冒泥、排水溝淤塞漫流等將逐年嚴(yán)重。大瑤冊(cè)隧道建成后，1990年5月，一次涌水200m3，流沙埋沒(méi)軌道使行車中斷。在巖溶地區(qū)，巖溶管道涌水由于經(jīng)常帶有大量泥沙，直接影響行車安全，為害特別嚴(yán)重。
（3）隧道地下水如果以排為主，施工中一般不再采取預(yù)注漿等封堵措施，則地下水往往嚴(yán)重影響施工的正常進(jìn)行。武隆隧道歷次特大涌水都造成施工場(chǎng)地嚴(yán)重毀壞，大量機(jī)械設(shè)備被埋在污泥里，隧道內(nèi)泥沙堆積達(dá)一米多厚，影響了施工的正常進(jìn)行。此外，南嶺隧道（衡廣復(fù)線），梅花山隧道（貴昆線），平關(guān)隧道（盤西線）等，都曾因洞內(nèi)大量涌水而使施工受到嚴(yán)重影響。
（4）地下水長(zhǎng)期由隧道大量排走，地下水位降低，是洞頂?shù)乇硎l(fā)生沉降變形的主要原因。便如京通線桃山隧道施工中的大量涌水使地表“四道溝”所有泉水干枯，從而截?cái)嗔嗽摐舷掠伟l(fā)電用的水源和農(nóng)業(yè)用水，造成嚴(yán)重后果；武隆隧道預(yù)測(cè)最大涌水量達(dá)了1300×104m3/d，山頂不遠(yuǎn)即為國(guó)家級(jí)風(fēng)景區(qū)仙女山風(fēng)景區(qū)，常年大量地下水的隨意排走必將會(huì)對(duì)仙女山的環(huán)境造成的影響。
“以排為主”對(duì)洞頂?shù)乇砩鷳B(tài)環(huán)境的破壞，將產(chǎn)生長(zhǎng)期的不良影響，而這是我國(guó)當(dāng)前法律所禁止的?！吨腥A人民共和國(guó)環(huán)境法》和《中華人民共和國(guó)水資源保護(hù)法》的頒布，國(guó)家對(duì)新工程從立項(xiàng)到驗(yàn)收，都要進(jìn)行環(huán)境評(píng)定，法規(guī)規(guī)定，“開(kāi)采礦藏或者興建地下工程，因疏干排水導(dǎo)致地下水位下降、枯竭或者地面塌陷，對(duì)其他單位或個(gè)人的生活和生產(chǎn)造成損失的，采礦單位或者建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)采取補(bǔ)救措施，賠償損失”（水法第二十六條）。并且隨著人們的環(huán)保意識(shí)和法制觀念的增強(qiáng)，聽(tīng)任地下水大量流失的現(xiàn)象越來(lái)越行不通了，因此，無(wú)限制排水原則不能適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的要求。
2、“控制排水”原則的提出
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展和以往施工規(guī)范中“以排為主”造成日益嚴(yán)重的水資源流失和環(huán)境惡化問(wèn)題，一種新的思想，即“控制排水”的思想應(yīng)運(yùn)而生。2001年9月實(shí)施的新的《隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：隧道防排水應(yīng)采取“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜”的原則，所謂“控制排水”，即是在富水地區(qū)修筑隧道時(shí)采取“以堵為主，限量排放”的方法，也稱為“大堵小排”，“大堵”是控制流量，“小排”是減小隧道襯砌壓力的主要手段。其核心是根據(jù)實(shí)際情況，按“以堵為主，防排結(jié)合”，排放流量根據(jù)施工的要求，水文地質(zhì)情況等加以控制。
3、“控制排水”條件下鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)襯砌斷面的受力分析
對(duì)于以往按“排水原則”來(lái)設(shè)計(jì)隧道，襯砌結(jié)構(gòu)受力和圍巖穩(wěn)定性影響是否需要考慮外水荷載的作用和如何考慮外水荷載等問(wèn)題，現(xiàn)行隧道規(guī)范上尚沒(méi)有這方面的理論和依據(jù)可用。尤其對(duì)于富水的斷層破碎帶和巖溶發(fā)育區(qū)，這些地區(qū)往往也是造成地下水流失的最主要地區(qū)，富水的斷層破碎帶和巖溶發(fā)育區(qū)開(kāi)挖后，若不采取措施，其涌水量是巨大的，歷來(lái)開(kāi)挖的隧道涌水地帶也絕大部分集中在這些地區(qū)，如中梁山隧道、大瑤山隧道、南嶺華隧道、鎣山隧道以及子關(guān)、大巴山隧道等等都是出于這種情況。對(duì)于這些地段，用何種方法來(lái)進(jìn)行“控制排水”，若采用“控制排水”，如何來(lái)設(shè)計(jì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)，還需要來(lái)進(jìn)行深入研究和解決。在這里，就采用“控制排水”條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工時(shí)，簡(jiǎn)單分析隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況。
對(duì)于富水的斷層破碎和富水的巖溶發(fā)育區(qū)，轉(zhuǎn)巖的級(jí)別比較低，基本在IV級(jí)圍巖和VI級(jí)之間，愉懷鐵路一單線電氣化深埋隧道，其襯砌為曲墻帶仰拱的標(biāo)準(zhǔn)V級(jí)圍巖甲型襯砌，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中鋼筋采用Φ２５的螺紋鋼筋，間距２５ｃｍ，襯砌混凝土采用Ｃ２５ 鋼筋混凝土?，F(xiàn)采用荷載一結(jié)構(gòu)式，利用 ＡＮＳＹＳ有限元程序考慮外水荷載，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。襯砌采用線彈性模型，單元采用彈性地基梁?jiǎn)卧拢牛粒停?。具體材料參數(shù)見(jiàn)表１。
對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其彈性模量利用剛度等效公式
Ｅｈ＝（ＥｇＡｇ＋ＥｈＡｈ?。粒鑱?lái)計(jì)算。
當(dāng)按容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)于深埋隧道襯砌的圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂直及水平勻布?jí)毫Π础惰F路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)規(guī)定。
“控制排水”情況下襯砌結(jié)構(gòu)即要考慮承受外水壓力，現(xiàn)分別取外水頭高度為０ｍ、５０ｍ、１００ｍ、１５０ｍ和２００ｍ五種情況進(jìn)行計(jì)算，外水壓力均勻加在襯砌處側(cè)。
由《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，鋼筋混凝土襯砌截面按破損階段法進(jìn)行其強(qiáng)度檢算，即根據(jù)材料的極限強(qiáng)度，計(jì)算偏心受壓構(gòu)件的極限承載能力Ｎ極限，并與構(gòu)件實(shí)際的內(nèi)力進(jìn)行比較，構(gòu)件安全的前提是N極限／Ｎ≥Ｋ規(guī)，其中Ｋ規(guī)為強(qiáng)度安全系數(shù)。
計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于結(jié)構(gòu)受力， 不考慮外水荷載和考慮外水荷情況下襯砌結(jié)構(gòu)的變形、最值軸力以及最值彎矩的大小、位置明顯不同，不計(jì)外水荷載時(shí)，變形方面拱部變形較大；軸力方面墻腳壓力最大，拱頂壓力最??；彎矩方面最大彎矩出現(xiàn)在拱腰和拱腳區(qū)域，且外側(cè)受拉，而拱頂內(nèi)側(cè)受拉。在考慮外水荷載時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)腰墻部位變形較大，并且隨著外水荷載的增加，變形呈進(jìn)一步增大的趨勢(shì)；軸力方面仰拱兩側(cè)壓力最大，此外拱腰位置壓力也較大，仰拱和拱頂部位壓力最??；彎矩方面各處彎矩都有幾十倍的增大，但最明顯的變化位置還是拱頂，拱頂及拱頂兩側(cè)區(qū)域彎矩相對(duì)有很大減小，且變?yōu)橥鈧?cè)受拉?？偟膩?lái)看，考慮外水荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是全方位的受力即結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、軸力、彎矩都比較大。
對(duì)于安全系數(shù)，在不考慮水荷載情況下，對(duì)于曲墻帶仰拱的標(biāo)準(zhǔn)Ｖ級(jí)圍巖甲型襯砌結(jié)構(gòu)，能完全滿足結(jié)構(gòu)受力要求，其安全系數(shù)較大（達(dá)到２３．０２）；而當(dāng)考慮外水荷載，在有效外水頭高度≤１００ｍ時(shí)，也基本上是滿足設(shè)計(jì)要求的（有效外水頭高度為１００ｍ時(shí)安全系數(shù)為１．９８，結(jié)構(gòu)允許的安全系數(shù)為２．０）。但當(dāng)外水荷載再繼續(xù)加大，則襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)已經(jīng)不能滿足要求。因此，只要保證外水荷載有效高度在１００ｍ范圍內(nèi)，是不會(huì)對(duì)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)造成達(dá)大壓力的。同時(shí)計(jì)算結(jié)果也表明，襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)隨外水荷載的變化并不呈線形變化，只要襯砌處側(cè)有一定的水荷載，則結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)就會(huì)急劇下降，可見(jiàn)外水壓力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力變化不利之明顯。襯砌結(jié)構(gòu)最為合理的設(shè)計(jì)是各個(gè)部位的安全系數(shù)相等，當(dāng)不考慮仰拱時(shí)，在不計(jì)外水荷載情況下墻腰位置安全系數(shù)最小，而考慮外水荷載時(shí)拱頂位置安全系數(shù)為最小，所以對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)斷面形式的襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)須增大拱頂和仰拱的厚度或增加此部位的配筋率。當(dāng)考慮外水荷載時(shí)，外水荷載的作用成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮的重要組成部分，必須慎重對(duì)待。
４、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)現(xiàn)有的對(duì)地下水治理措施的規(guī)范以及環(huán)保方面等的要求，提出了對(duì)于鐵路隧道結(jié)構(gòu)的“控制排水”原則。在這種原則的情況下，還有許多問(wèn)題岌待研究和解決。最后，對(duì)一單線電氣化鐵路深埋隧道在“控制排水”即考慮外水荷載的情況下進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果表明，考慮外水荷載時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的受力顯著加大，且最大受力位置有所變化，對(duì)于曲墻帶仰拱的標(biāo)準(zhǔn)Ｖ級(jí)圍巖甲型襯砌結(jié)構(gòu)，其能安全承受的外水頭高度最大為１００ｍ。
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