基于流固耦合的富水区隧道注浆圈优化研究

分析地质复杂的富水山岭隧道的渗流问题,并基于渗流场流固耦合理论,研究采取注浆加固措施,注浆圈对渗流场的影响。通过理论分析、公式推导、数值分析的方法,并结合工程实践,在分析富水区隧道渗流场的基础上,得到以下几个结论:(1)建立富水区深埋隧道渗流简化模型,推导了渗流场下,隧道涌水量、注浆圈外水压力和衬砌外水压力的推导公式;(2)详细分析了注浆圈对涌水量、衬砌外水压力的影响,涌水量和衬砌外水压力之间的影响,FLAC3d数值分析建立模型,通过数值计算,验证了公式推导的正确,这可对类似工程提供有效的指导和借鉴。     

高水压隧道渗流场分布的复变函数解析解

研究目的:在进行高水压山岭隧道支护结构设计时,合理地确定衬砌上作用的水压力是结构设计的关键。本文以深圳市东部过境高速公路的莲塘隧道为工程背景,对高水压隧道渗流场分布进行理论研究。莲塘隧道位于莲塘水厂西南部地段的丘陵地区,并处于深圳断裂带的主要影响带内,断层及节理裂隙发育,岩体破碎。由于临近深圳水库,且地处深圳水库常年水位以下,若采用下穿方案,隧道将长期处于高水头作用之下。因此,对隧道及围岩中的渗流场进行研究对隧道衬砌结构设计与防排水设计有直接的指导意义。研究结论:本文分别采用有限差分岩土软件FLAC3D和经典解析解Harr解对高水压隧道渗流场进行了验证计算。通过计算对比,分别得到了本文解析解和有限差分数值解和Harr解的渗流场分布等值线图,通过比较,最终证明了本文解析解在高水压深埋隧道渗流场计算中的正确性。     

高水位富水隧道衬砌结构设计刍议

本文应用渗流理论建立岩体渗流计算模型，推导了隧道衬砌外缘剩余水头的计算公式，并对荷载——结构计算模型、理论解析计算和有限元计算三种抗水压隧道衬砌结构设计方法予以介绍。     

基于流固耦合的强度折减法研究地下水渗流对隧道稳定性的影响

为研究地下水渗流对隧道稳定性的影响,将基于流固耦合的强度折减法用于求解隧道安全系数。通过建立3种计算工况,分析地下水渗流、流固耦合计算模式对隧道安全系数的影响。利用流固间接耦合计算模式研究地下水水位对隧道安全系数和拱顶沉降的影响。结果表明:地下水渗流情况下隧道安全系数较不考虑地下水时降低20%左右,地下水渗流对隧道安全系数的影响不可忽略。流固间接耦合和完全耦合模式计算得到的隧道安全系数基本相同,而流固间接耦合模式所消耗的计算时间远小于完全耦合模式,建议采用流固间接耦合模式计算地下水渗流时隧道的安全系数。隧道安全系数随地下水水位升高有所降低,二者呈线性相关;地下水水位每升高10 m,隧道安全系数降低0.26。相同折减系数时,隧道拱顶沉降随地下水水位升高而增大。     

隧道衬砌弹塑性损伤模型建立与应用研究

研究目的:《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)虽然已经施行多年,但还未见有文献运用其中的混凝土损伤本构关系对工程结构进行数值模拟计算的实例,这无疑是工程设计领域的一种不足或缺陷。因此,通过理论推导建立动载长期作用隧道衬砌结构弹塑性损伤模型,并进行二次开发及损伤模型验证是必要的。研究结论:(1)根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中建议的混凝土损伤本构关系方程,推导并建立了微分形式的拉、压损伤演化方程;(2)编写了混凝土弹塑性损伤本构模型的相应计算程序,并在有限差分软件FLAC3D软件平台上进行了二次开发及损伤模型验证;(3)采用开发的混凝土损伤模型对高速铁路隧道在不同行车速度和不同围岩级别下的动力响应进行了系统的分析计算,通过结构的损伤分布直观地了解衬砌结构的受力特点及损伤特性,明确结构的危险部位;(4)本研究成果可对动载长期作用下弹塑性损伤隧道设计提供指导。     

基于流固耦合原理隧道穿越富水断层带设防长度研究

基于隧道渗流场的流固耦合原理,引入隧道穿越富水断层带设防长度概念,对隧道穿越富水断层带的加固范围进行研究。以广东揭阳某隧道穿越F2断层带开挖为依托工程,分析FLAC3D中内置的几种渗流模型在高富水断层带隧道开挖中应用的区别;通过数值模拟的方式,以隧道开挖后最终变形量及衬砌应力为控制标准,研究隧道穿越高富水断层带时的设防长度影响因素,并获得不同断层倾角下隧道穿越富水断层带时的设防长度。最终得出断层倾角小于42°的情况下,设防长度为1.5倍的隧道宽度。     

深埋双线铁路隧道衬砌高水压分界值研究

为研究深埋双线铁路隧道衬砌高水压分界值以及高水压作用下的衬砌受力状态,基于双线铁路隧道设计标准,利用有限元软件计算和分析双线铁路隧道衬砌在不同水压作用下隧道衬砌安全系数的变化规律,确定双线铁路隧道衬砌的高水压分界值。研究结果表明:Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下水压力在0~0.05 MPa(约等于隧道净高一半)和Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下水压力在0~0.1 MPa(约等于隧道净高)范围内变化时,隧道断面安全系数基本不变。在Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下,双线隧道的高水压第一分界值为0.08~0.20 MPa;高水压第二分界值可取为0.40MPa。在Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下,双线隧道的高水压第一分界值为0.12~0.35 MPa;高水压第二分界值为0.50 MPa。双线铁路隧道采用标准设计图进行设计时,能够承受的最大静水头为50 m,超过50 m的静水头,则需要优化断面。     

岩溶弱发育地层隧道衬砌水压规律及结构安全性研究

当地层岩溶弱发育时,地表水下渗速度相对较慢。这种条件下,隧道常规防排水方案是否能够有效排导地下水,降低衬砌背后水压,还需要进一步研究。以重庆市某岩溶弱发育高铁隧道工程为依托,设计衬砌拱顶水头高度为10,15,20 m及30 m四种工况,采用三维数值模拟方法对常规隧道防排水方案条件下岩溶隧道衬砌水压分布规律及结构安全性进行研究。研究结果表明：(1)正常排水条件下,隧道衬砌水压折减率拱顶比仰拱高,且随着水头高度增加,折减率也随之减小;(2)在水压和围岩压力共同作用下,初始水头高度为10 m和15 m时,衬砌结构能够满足安全性要求,当初始水头超过20 m时,衬砌结构不能满足安全要求;(3)当常规隧道防排水方案用于岩溶弱发育段隧道时,需要对仰拱的排水方案进行改进或优化,以达到结构安全的要求。     

高地温隧道二次衬砌受力特性分析

研究目的:拟建川藏铁路的部分隧道工程施工过程中预计会遇到高地温(达30℃～80℃),高岩温将会给隧道工程的建设带来极大的挑战。本文拟通过衬砌外表面边界条件设定为固定温度约束(温度区间为30℃～80℃),利用ANSYS有限元软件建立三维荷载-结构模型,通过温度场和应力场的耦合,研究不同地温下、不同龄期的Ⅳ级围岩混凝土二次衬砌与Ⅴ级围岩钢筋混凝土二次衬砌受力特性,分析与评价其安全性,从而提出相应的工程应对措施。研究结论:(1)随着地温升高,隧道二次衬砌各个部位的安全系数呈下降趋势,特别是当地温从30℃升为50℃时,衬砌安全系数显著下降;(2)地温高于60℃时,Ⅳ级围岩隧道混凝土衬砌安全系数将不满足设计规范要求;(3)地温为80℃时,Ⅴ级围岩钢筋混凝土二次衬砌最小安全系数临近设计规范要求极值,位于衬砌墙脚附近;(4)地温超过60℃时,需设置隔热复合式衬砌;(5)本研究结论可为高温隧道的设计与施工提供参考。     

各向异性渗流深埋隧洞衬砌外水压力解析研究

基于渗流力学基本理论，进行各向异性深埋隧洞渗流场解析研究。由稳定渗流场基本微分方程结合深埋隧道渗流场边界条件，利用坐标变换法将地层从各向异性转换为等效各向同性，运用保角变换将渗流方程转化为Laplace方程；将围岩渗流区域进行分区计算，得到围岩的渗流量计算公式；考虑衬砌为各向同性渗流，根据围岩与衬砌分界面上的渗流量相等得到衬砌外水压力的解析表达式，在此基础上考虑注浆圈及其对衬砌外水压分布的作用，得到了带注浆圈隧道衬砌水头和渗流量的解析解；通过与各向同性解析解和数值算例的计算结果对比，验证了公式的正确性。分析围岩水平与竖向渗透系数、注浆圈参数、衬砌参数、作用水头高度和隧道半径等因素对衬砌外水压力的影响，并考虑了各向异性渗流情况下衬砌外水压力与隧道渗流量的关系曲线。     

节理岩体中隧道开挖后渗流场重分布影响因素研究

在富水地区的节理岩体中开挖隧道会打破原有的渗流平衡,形成新的渗流场,造成突水等灾害。考虑流固耦合作用,运用离散元理论,建立垂直交叉节理岩体模型,以洞周测点的流量为指标,从地应力、水位高度和节理法向刚度等方面进行隧道开挖后节理岩体渗流场重分布的影响因素研究,并从开挖前后节理隙宽和水压力变化分析影响产生的原因,结论可为进一步研究围岩稳定性和突水灾害等提供参考。     

富水地层盾构掘进下近接桩-土力学响应分析

基于富水地层透水性强、土层强度低等特性,运用盾构技术进行隧道施工造成的土层变形、临近桩体扰动等负面现象尤为突显。为探明渗流影响下由盾构掘进引起的孔压变化、桩-土响应规律,以某盾构隧道工程为依托,采用有限元数值分析方法,阐明盾构隧道在流-固耦合作用下的孔压分布、桩-土内力及位移发展形式。研究结果表明:(1)与未考虑地下水作用相比,渗流场影响下的桩体与地表土层沉降明显加剧,其沉降最大增幅分别达32.18%、31.95%;(2)盾构隧道下穿建筑桩基施工,对桩体内力值影响较大,桩体下部轴力沿埋深增长并产生负摩阻力,较大程度地抑制桩体性能发挥;(3)隧道防水失效下,周边围岩内部孔隙水压力于1倍隧道直径范围内呈现剧烈衰减,并沿水平向出现明显孔压降压带。     

地铁深基坑渗流应力耦合研究

研究目的:武汉地区深基坑事故中,九成以上是因为地下水控制失效造成的。其中,承压水含水层在长江一级阶地中普遍存在,且含水层厚度很大,承压水头很高,成为武汉地区深基坑工程的一大特点。针对武汉长江一级阶地地铁深基坑,研究其降水与开挖施工过程中引起的地面沉降以及基坑稳定等影响与变化规律具有重要的现实意义。研究结论:对深基坑降水与开挖的流固耦合效应进行了分析,建立了渗流场与应力场耦合计算模型。使用FLAC3D对武汉长江一级阶地深基坑降水与开挖施工过程进行了渗流应力耦合模拟;计算结果表明,地表沉降形成了二次函数曲线分布形态的沉降凹槽;地下连续墙以下渗流速度最大,容易发生渗透破坏;相较于不考虑流固耦合计算,考虑耦合的计算结果与工程实际规律更为吻合,能更好地的预测与信息化施工。     

高水压隧道修建过程中渗流场变化规律试验研究

以圆梁山隧道毛坝向斜高水压地段为工程背景,自行研制高水压隧道渗流场试验装置系统,通过室内模型试验,分析隧道修建过程中渗流场的变化规律及作用在二衬背后的水压力作用系数。结果表明:围岩边界不透水时,初始渗流场为静水场,围岩边界透水时,初始渗流场为非静水场;隧道开挖后,水压力等值线是以隧道为中心的圆环形状,无注浆圈时在围岩内的分布较均匀,有5m注浆圈时,等值线在注浆圈内密度较大,在注浆圈外较稀疏;注浆的施作,明显减小了隧道内的排水量,增加了注浆圈外表面的水压力作用系数,注浆圈承担了较大的地下水压力;衬砌施作后,有注浆圈时,衬砌背后的水压力有明显的折减现象,在排水孔断面上的分布呈"葫芦"状,衬砌背后水压力作用系数最小,围岩内和注浆圈外表面的水压力作用系数几乎相同,衬砌背后的水压力在排水系统与水沟连通的位置处最小,在仰拱处较大,在其他位置分布较均匀;隧道排水比越大,衬砌背后的水压力作用系数越小。     

渗流作用下盾构隧道施工过程中地表沉降预测研究

应用数值分析法研究了广州地铁一区间隧道盾构施工过程中渗流对地表沉降的影响。基于Peck横向地表沉降计算理论,将渗流产生的孔隙水压按隧道上覆土的重力归一化处理,且以理论计算所得沉降为标准,对考虑渗流作用的地表沉降进行归一化,提出了耦合渗流作用时最大地表沉降估算方法。与实测及理论计算结果对比分析表明,本文所建立的计算模型和地表沉降修正计算方法合理、有效。     

山岭隧道高水压下衬砌结构三维数值模拟

采用三维有限元数值模型,分析圆梁山隧道高水压条件下衬砌结构受力及变形特征。研究结果表明,高水压对隧道衬砌结构影响显著,在高水压作用下衬砌结构的受力和变形都较大,衬砌结构上存在较大的纵向弯矩。水荷载是隧道衬砌结构的主要荷载之一,应引起足够的重视。     

铁路隧道衬砌内掺渗透结晶防水剂试验研究

研究目的:混凝土开裂问题一直被人们所关注,由于引起混凝土开裂的原因很多,因此很难从根本上避免混凝土开裂的发生。铁路隧道衬砌混凝土发生开裂后,往往伴随发生渗漏水,继而对隧道的正常使用产生影响。隧道渗漏水通常采用注浆法处理,但该法很难达到理想的效果。本文依托京张高铁东花园隧道,通过在隧道衬砌混凝土中掺加水泥基渗透结晶防水剂,使衬砌裂缝自动愈合,避免产生渗漏水。研究结论:(1)在隧道衬砌混凝土中掺加水泥基渗透结晶防水剂,可以实现衬砌裂缝的自动愈合防水功能,减少隧道衬砌渗漏水的发生;(2)隧道衬砌混凝土中的水泥基渗透结晶防水剂掺量宜为水泥用量的1%～1. 5%;(3)本研究成果可供类似隧道工程借鉴应用。     

基于长期监测的高水压岩溶隧道二次衬砌水压特征研究

通过长期监测宜万铁路4座典型高风险岩溶隧道运营期衬砌水压,结合模型试验、理论分析研究岩溶隧道二次衬砌水压的特征,提出岩溶隧道衬砌水压计算的概化模型。研究表明:(1)各隧道实测衬砌水压总体值不大,最大0.13 MPa,低于1 MPa抗水压衬砌设计值;断面水压分布受洞内排水效应影响明显;水压的动态与雨季关系密切。(2)岩溶隧道初始水压的确定主要受隧道上、下方的排泄基准面控制,施工过程中的泄水洞构成新的排泄基准面;初始水压与排泄能力和降雨的补给有关。(3)只有考虑隧道排水时才能发挥注浆加固圈对渗透水压的衰减作用;二衬水压受隧道排水量Q2与渗入初期支护的水量Q1的综合影响,二次衬砌上水压与Q2/Q1成反比。(4)排水洞排水通畅对二衬水压影响较大,在运营的过程中,应对排水洞进行定期的检查和维护,保证其排水通畅。本文可为高水压岩溶隧道的设计与运营提供参考。     

海底隧道涌水量的预测及其应用

海底隧道深埋于海水以下，处于高水压富水区，涌水是海底隧道的最大威胁。涌水量预测是海底隧道防排水设计和施工措施制定的依据。采用理论分析方法，推导了均质围岩中海底隧道注浆圈外表面、衬砌外水压力及涌水量的理论解析公式，并分析了涌水量与各量值之间的关系。通过对地下水渗流场数学模型研究，采用等效连续介质模型用数值方法分析了隧道渗流场的分布，计算出海底隧道的每延米涌水量，并与理论解析解进行了对比分析。结果表明：海底隧道的涌水量不仅与围岩和注浆圈的渗透系数的比值关系密切，而且还与隧道的半径、远场水压力、注浆圈的半径有关；数值计算所得结果与理论解析公式计算得到的涌水量基本一致；为了确保海底隧道施工及运营的安全，应采取“以堵为主，限量排放”的治水方案。     

公轨合建大直径盾构隧道车辆振动响应数值分析

对于大直径水下盾构隧道,研究并讨论列车振动荷载对隧道结构安全性及地基稳定性具有重大意义。以三阳路公铁合建长江隧道工程为背景,采用2.5维数值计算程序对三阳路长江隧道段典型断面处进行计算分析,研究地铁振动荷载和汽车振动荷载耦合作用对隧道结构及隧道下覆粉细砂层稳定性的影响。计算结果表明:(1)在地铁振动荷载与汽车振动荷载联合作用下,隧道衬砌结构的位移振动响应量值及受力情况均较小,振动荷载不会对衬砌结构自身产生不利影响;(2)列车和汽车车队耦合荷载引起隧道下覆饱和粉细砂层超静孔隙水压力在隧道正下方衰减较为缓慢;(3)隧道下覆饱和粉细砂地层由正常的地铁振动荷载及汽车荷载激发的超静孔隙水压力不会超过1 kPa,在正常地铁荷载及正常汽车荷载单独作用或联合作用下,该饱和粉细砂地层能够保持稳定,不会发生液化失稳。