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铁路隧道施工的“控制排水”原则

[  修改时间:2009/9/27 15:37:04  浏览次数:1719]
 

随着国家对基础建设的进一步加大投入,铁路隧道工程得到了前所未有的发展。“多、长、大、深”,即数量多,长度大、大断面、大埋深,是今后隧道工程的发展趋势。

然而,随着隧道工程的发展,与隧道施工过程中相应的一系列问题也逐渐暴露出来,并且也日益严重,比如,与环境问题息息相关的地下水问题越来越引起人们的关注。一般而言,不论在施工中还是在通车后,隧道结构时刻处于地下水的包围之中,1985年以前的有关规范、规则,几乎都未把隧道工程建设与环境工程作为一个系统来考虑,没有关于隧道开挖及地下水对生态环境影响评价的专门条款和规定。在实际工程中,突出 了以排为主,大多数隧道工程(特别是山岭隧道),不论涌、渗水的补给来源及水量大小与否,施工中多不作预处理,因而使隧道成了泄水洞,吸取了周围大量的地下水,造成地下水的流失,产生了一系列的环境问题。

1 “以排为主”的主要缺点
经验证明,地下水处理“以排为主”,隧道施工过程中以及后来的隧道运营期,长期排放地下水,在隧道内存在不同程度的水害,且逐年发展,影响衬砌结构和行车安全;环境方面造成工程地区含水层被疏干,使生态环境恶化,主要表现为:地表和泉、井枯竭;生活,工农业用水缺乏,地表沉降、土壤沙化、水土流失等。严重影响了人民的生活和生产建设。
(1)地下水从隧道大量流失,围岩中的地下水通道(岩层节埋裂隙或岩溶管道)中的充填物被水冲走,贯通性愈来愈好,致使洞内流量不断增大。贵昆线稞纳隧道通车后涌水频率逐年提高,开始时数年一次,以后每年一次,近年来一年数次;刚刚修建的渝怀线武隆隧道,2002年涌水量最大为200×104m3/d,2003年涌水量猛增到780×104m3/d,为中国历史上所罕见。
(2)随着隧道内涌水量的增多,衬砌渗漏变形、路面翻浆冒泥、排水沟淤塞漫流等将逐年严重。大瑶山隧道建成后,1990年5月,一次涌水200m3,流沙埋没轨道使行车中断。在岩溶地区,岩溶管道涌水由于经常带有大量泥沙,直接影响行车安全,为害特别严重。
(3)隧道地下水如果以排为主,施工中一般不再采取预注浆等封堵措施,则地下水往往严重影响施工的正常进行。武隆隧道历次特大涌水都造成施工场地严重毁坏,大量机械设备被埋在污泥里,隧道内泥沙堆积达一米多厚,影响了施工的正常进行。此外,南岭隧道(衡广复线),梅花山隧道(贵昆线),平关隧道(盘西线)等,都曾因洞内大量涌水而使施工受到严重影响。
(4)地下水长期由隧道大量排走,地下水位降低,是洞顶地表失水并发生沉降变形的主要原因。例如京通线桃山隧道施工中的大量涌水使地表“四道沟”所有泉水干枯,从而截断了该沟下游发电用的水源和农业用水,造成严重后果;武隆隧道预测最大涌水量达到1300×104m3/d,山顶不远即为国家级风景区仙女山风景区,常年大量地下水的随意排走必将会对仙女山的环境造成严重的影响。
“以排为主”对洞顶地表生态环境的破坏,将产生长期的不良影响,而这是我国当前法律所禁止的。《中华人民共和国环境法》和《中华人民共和国水资源保护法》的颁布,国家对新工程从立项到验收,都要进行环境评定,法规规定,“开采矿藏或者兴建地下工程,因疏干排水导致地下水位下降、枯竭或者地面塌陷,对其单位或个人的生活和生产造成损失的,采矿单位或者建设单位应当采取补救措施,赔偿损失”(水法第二十六条)。并且随着人们的环保意识和法制观念的增强,听任地下水大量流失的现象越来越行不通了,因此,无限制排水原则不能适应我国经济发展和社会进步的要求。
2 “控制排水”原则的提出
随着我国经济建设的飞速发展和以往施工规范中“以排为主”造成日益严重的水资源流失和环境恶化问题,一种新的思想,即“控制排水”的思想应运而生。2001年9月实施的新的《隧道设计规范》中规定:隧道防排水应采取“防、排、截、堵结合,因地制宜”的原则,所谓“控制排水”,即是在富水地区修筑隧道时采取“以堵为主,限量排放”的方法,也称为“大堵小排”,“大堵”是控制流量,“小排”是减小隧道衬砌压力的主要手段。其核心是根据实际情况,按“以堵为主,防排结合”,排放流量根据施工的要求,水文地质情况等加以控制。
3 “控制排水”条件下铁路隧道标准衬砌断面的受力分析
对于以往按“排水原则”来设计隧道,衬砌结构受力和围岩稳定性影响是否需要考虑外水荷载的作用和如何考虑外水荷载等问题,现行隧道规范上尚没有这方面的理论和依据可用。尤其对于富水的断层破碎带和岩溶发育区,这些地区往往也是造成地下水流失的最主要地区,富水的断层破碎带和岩溶发育区开挖后,若不采取措施,其涌水量是巨大的,历来开挖的隧道涌水地带也绝大部分集中在这些地区,如中梁山隧道、大瑶山隧道、南岭华隧道、华蓥山隧道以及子关、大巴山隧道等等都是出于这种情况。对于这些地段,用何种方法来进行“控制排水”,若采用“控制排水”,如何来设计隧道衬砌结构,还需要进行深入研究和解决。在这里,就采用“控制排水”条件下进行设计和施工时,简单分析隧道标准断面衬砌结构的受力情况。
对于富水的断层破碎和富水的岩溶发育区,围岩的级别比较低,基本在IV级围岩和VI级之间,愉怀铁路一单线电气化深埋隧道,其衬砌为曲墙带仰拱的标准V级围岩甲型衬砌,钢筋混凝土结构,其中钢筋采用Φ25的螺纹钢筋,间距25㎝,衬砌混凝土采用C25钢筋混凝土。现采用荷载一结构式,利用 ANSYS有限元程序考虑外水荷载,对衬砌结构进行受力分析。衬砌采用线弹性模型,单元采用弹性地基梁单元BEAM3。具体材料参数见附表。
附表 材料参数
容量/(KN·m-3
围岩弹性抗力系数K/MPa m-1
混凝土 泊松比ⅴ
摩擦角
φ/(O
粘聚力
C/KPa
弹性模量
围岩
钢筋混凝土
钢筋Eg
混凝土Eh
21
23
300
1/6
30
300,000
2.1*105
2.1*104
对于钢筋混凝土结构,其弹性模量利用刚度等效公式
Eh=(EgAg+EhAh)/Ah来计算。
当按容许应力法设计隧道结构时,对于深埋隧道衬砌的围岩压力按松散压力考虑,其垂直及水平匀布压力按《铁路隧道设计规范》来规定。
“控制排水”情况下衬砌结构即要考虑承受外水压力,现分别取外水头高度为0m、50 m、100 m、150 m和200 m五种情况进行计算,外水压力均匀加在衬砌外侧。
由《铁路隧道设计规范》,钢筋混凝土衬砌截面按破损阶段法进行其强度验算,即根据材料的极限强度,计算偏心受压构件的极限承载能力N极限,并与构件实际的内力进行比较,构件安全的前提是N极限/N≥K规,其中K规为强度安全系数。
计算结果表明:对于结构受力, 不考虑外水荷载和考虑外水荷情况下衬砌结构的变形、最值轴力以及最值弯矩的大小、位置明显不同,不计外水荷载时,变形方面拱部变形较大;轴力方面墙脚压力最大,拱顶压力最小;弯矩方面最大弯矩出现在拱腰和拱脚区域,且外侧受拉,而拱顶内侧受拉。在考虑外水荷载时,衬砌结构腰墙部位变形较大,并且随着外水荷载的增加,变形呈进一步增大的趋势;轴力方面仰拱两侧压力最大,此外拱腰位置压力也较大,仰拱和拱顶部位压力最小;弯矩方面各处弯矩都有几十倍的增大,但最明显的变化位置还是拱顶,拱顶及拱顶两侧区域弯矩相对有很大减小,且变为外侧受拉。总的来看,考虑外水荷载时,结构的受力特点是全方位的受力即结构的拉应力、压应力、轴力、弯矩都比较大。
对于安全系数,在不考虑水荷载情况下,对于曲墙带仰拱的标准V级围岩甲型衬砌结构,能完全满足结构受力要求,其安全系数较大(达到23.02);而当考虑外水荷载,在有效外水头高度≤100m时,也基本上是满足设计要求的(有效外水头高度为100m时安全系数为1.98,结构允许的安全系数为2.0)。但当外水荷载再继续加大,则衬砌结构的安全系数已经不能满足要求。因此,只要保证外水荷载有效高度在100m范围内,是不会对隧道的衬砌结构造成达大压力的。同时计算结果也表明,衬砌结构的安全系数随外水荷载的变化并不呈线形变化,只要衬砌外侧有一定的水荷载,则结构的安全系数就会急剧下降,可见外水压力对衬砌结构受力变化是不利的。衬砌结构最为合理的设计是各个部位的安全系数相等,当不考虑仰拱时,在不计外水荷载情况下墙腰位置安全系数最小,而考虑外水荷载时拱顶位置安全系数为最小,所以对于采用标准断面形式的衬砌结构时须增大拱顶和仰拱的厚度或增加此部位的配筋率。当考虑外水荷载时,外水荷载的作用成为结构设计要考虑的重要组成部分,必须慎重对待。
4 结束语
通过现有的对地下水治理措施的规范以及环保方面等的要求,提出了对于铁路隧道结构的“控制排水”原则。在这种原则的情况下,还有许多问题岌待研究和解决。最后,对一单线电气化铁路深埋隧道在“控制排水”即考虑外水荷载的情况下进行受力分析,分析结果表明,考虑外水荷载时,衬砌结构的受力显著加大,且最大受力位置有所变化,对于曲墙带仰拱的标准V级围岩甲型衬砌结构,其能安全承受的外水头高度最大为100m。
 
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