基于等效周长法研究隧道衬砌水压力荷载及内力

为研究方形隧道断面衬砌水压力及内力,利用等效周长替代法,将方形隧道断面转变成圆形隧道断面,并运用轴对称解析法与有限差分FLAC3D分别计算在不同衬砌渗透系数、不同注浆半径和不同衬砌厚度情况下,隧道衬砌水压力、渗透量、内力、偏心距以及安全系数。结果表明:轴对称解析法的渗透量和水压力与有限差分数值计算法的很接近;在不透水情况下,水压力不进行折减;通过控制排水、减小衬砌渗透系数、适当增大围岩注浆或适当增大衬砌厚度可以调节衬砌水压力、偏心距与安全系数;衬砌厚度对边角处安全系数影响大;以设计水荷载为正算,施工监测水压力为反算,在施工过程中,检验并修正水荷载。     

衬砌水压力荷载影响因素的敏感度分析

基于轴对称解析解,分析了水头高度、衬砌厚度、衬砌渗透性、注浆参数及隧道尺寸等因素对衬砌水压力折减系数的影响。研究结果表明:衬砌与围岩相对渗透性对衬砌水压力折减系数影响最明显,衬砌的渗透性是决定水压力折减系数大小的主要因素。注浆的主要作用就是控制地下水排放流量,水压力"卸载"与否取决于衬砌的渗透性。当衬砌渗透系数足够小时,无论是加大注浆圈厚度,还是降低其渗透系数,都不能起到降低水压力荷载的作用,而当衬砌具有一定透水性时,围岩注浆既能限制地下水排放又能降低衬砌水压力。     

水底隧道复合式衬砌水压力影响因素分析

富水量较大的水底隧道,隧道防排水系统对于控制隧道涌水量和衬砌外水压力十分重要。采用数值计算方法,研究固定水头下水底隧道不同注浆参数、衬砌渗透系数及隧道控制排水量对衬砌水荷载的影响,并与轴对称解析解结果进行对比验证。研究结论:(1)渗透系数增加和注浆圈厚度减小都致使衬砌外水压力的增加;(2)初衬渗透性的变化对初衬外水压力的影响十分显著;(3)数值解与解析解的结果相差不大,非圆形隧道截面可利用等效半径求解衬砌外水压力和隧道涌水量的解析解,并用于隧道防排水的初步设计;(4)隧道注浆圈参数和初衬渗透系数一定时,增大控制排水量有利于减小二衬背后外水压力。     

海底隧道全断面注浆渗流场分析

围岩的注浆效果直接影响到海底隧道的施工安全。采用数值计算方法对固定水头的海底隧道在不同注浆圈厚度、注浆圈渗透系数以及排水方式下,隧道的涌水量和衬砌外水压力进行计算与分析。并将数值模拟的结果与轴对称解析解结果进行对比,结果表明:(1)不同的隧道防排水方式对衬砌外压有着明显的影响;(2)注浆圈的径向加固范围对隧道涌水量和衬砌外水压力产生一定的影响,但其效果并不明显;(3)注浆圈的渗透系数对隧道的涌水量和衬砌的外水压力有较大影响。     

地铁隧道过海段复合衬砌参数的敏感性分析

以青岛地铁1号线胶州湾过海隧道为研究背景，选取了影响复合式衬砌外围水压力的9个主要影响因素，在利用Midas有限元数值分析软件的基础上，采用正交试验设计法分析了2种测试水平下这9个因素对水压力折减系数的显著性影响水平。结果表明：影响二次衬砌外围水压力大小的显著性因素为二次衬砌外围半径和围岩渗透系数与二次衬砌渗透系数的比值；影响初期支护外围水压力大小的显著性因素为围岩渗透系数与注浆圈渗透系数的比值、注浆圈厚度、围岩渗透系数与二次衬砌渗透系数的比值及隧道半径。其中，围岩渗透系数与二次衬砌渗透系数的比值对二次衬砌、初期支护的外围水压力均有显著性影响。因此，在海底隧道设计和施工过程中，应重点关注衬砌的渗透性能，注意支护结构的参数设计和选取，以保障海底隧道的顺利开挖及运营安全。     

基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计

研究目的：客运专线铁路隧道结构设计中往往会碰到水荷载作用计算难题，考虑抗水压衬砌结构设计仍然是隧道设计与研究热点之一。为检验隧道衬砌结构设计的安全性及防水性，有必要对抗水压衬砌设计结构进行内力计算。研究方法：针对金沙洲隧道特定地质条件和工程设计要求，采用基于有限单元法的荷载结构模型，对按围岩类别设计的3种隧道断面衬砌结构受力进行数值模拟。研究结果：研究得到了衬砌外水压力以及结构内力及分布特征，并验算了衬砌结构的安全系数。通过对计算结果分析验证，选出了各自围岩级别下合适的衬砌结构。研究结论：在全断面封闭排水的衬砌结构设计中，应着重考虑发挥混凝土的抗压性能；在富水区地下水头较大时。采用帷幕注浆法改善堵水圈的渗透系数，可有效降低衬砌的外水压力；选择仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与曲边墙的连接处的半径以及仰拱厚度作为控制变量，可以改善衬砌结构受力特征。     

大直径泥水盾构隧道管片结构力学特性研究

以扬州瘦西湖隧道为例,介绍了盾构隧道穿越地层的工程地质与水文地质条件、典型断面管片布置形式,以及管片结构受力监测方案。共设计了4个监测断面,对管片的力学特性进行监测。通过实测结果分析和数值模拟分析,得出的主要结论是:柔性土压力计和光栅传感器能够较好地应用于管片的现场监测工作,可以得到较为全面准确的隧道衬砌结构荷载和内力在施工期的分布;衬砌结构荷载总体随时间呈先减低后趋于平稳的规律,施工期的注浆作用会使衬砌结构荷载大于稳定后的结构荷载,同时注浆压力控制不当会导致结构荷载的分布不均匀(在设计时应重点关注);注浆阶段(同步注浆到注浆效应消散),衬砌结构内力处于波动状态,与各同步注浆孔压力分布不均有关,稳定后的结构轴力大致为注浆作用下最大值的60%~65%,注浆作用对结构轴力影响较大。     

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。     

基于流固耦合的海底隧道注浆圈渗流场影响分析

将存在裂隙的岩体视为等效连续介质,建立海底隧道稳定渗流分析计算模型,并对渗流场相关特性进行探讨;结合青岛胶州湾海底隧道工程计算注浆圈对渗流场影响.结果表明:海底隧道防排水应采取“以堵为主,限量排放”的原则;注浆圈堵水效果与其厚度相关,且注浆圈厚度与其渗透系数成正比.但当围岩渗透系数与注浆加固圈渗透系数之比大于100,且注浆圈厚度不小于10 m时,注浆圈渗透系数、注浆圈厚度对隧道涌水量均影响不大;隧道涌水量和控制排水量之差越大,衬砌外水压力越大;为减少涌水量,可以采用注浆圈封堵地下水渗流通道,衬砌外水压力将显著降低.当处于自由排水阶段时,衬砌不承担水压力,隧道涌水量与控制排水量相等.     

山岭隧道突水对衬砌结构受力影响数值分析

用有限元数值模型,分析隧道断面上8个不同位置10种不同水压突水条件下衬砌结构的受力特征。结果表明:突水位置发生在仰拱或墙脚位置时,对衬砌结构的受力影响显著;突水对衬砌结构上的最大正弯矩和最大剪力影响最显著,而对最大负弯矩和最大轴力影响要相对小一些。运用结构力学的弯矩影响线理论,把突水压力作为衬砌结构上的移动荷载,给出不同突水压力下衬砌结构的弯矩包络图。     

深埋山岭隧道帷幕注浆段衬砌外水压力研究

通过建立深埋山岭隧道的渗流模型,分析外水压力对支护体系的荷载影响,推导出帷幕注浆段衬砌外水压力的计算公式以及隧道内最大涌水量公式,并就理论公式结合工程实际情况展开探讨。同时,对太行山隧道帷幕注浆段外水压力进行现场测试。测试数据表明,由于监测时间较短、测点选择等原因,虽然帷幕注浆段衬砌外水压力较小,但考虑到后期外水压力的增加,为确保隧道运营期安全,需加强高压富水段外水压力持续监测。     

高水压岩质盾构隧道二次注浆压力的控制

采用梁—弹簧模型模拟盾构隧道管片衬砌结构,针对不同的二次注浆方式,包括注浆孔的布置、充填空隙的长度和注浆压力,进行力学分析。结果表明:不同注浆方式下管片结构的力学特征不同,在注浆压力及所填充空隙长度相同的条件下,不对称注浆对管片结构的受力最不利;在注浆方式相同、注浆压力和所充填空隙长度不同的条件下,管片结构的内力和变形形状相同,但内力和变形的大小不同,随着注浆压力和所充填空隙长度的减小,管片结构的内力和变形减小。在岩质盾构隧道施工中,二次注浆所充填的空隙长度是不确定的,故从安全出发,最大二次注浆压力应控制在0.6 MPa以内,注浆压力的下限值可由能注入浆液进行控制。     

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。     

深埋岩溶隧道水压力的预测与防治

研究目的:为保护洞顶水资源和环境,深埋岩溶隧道“以排为主”的设计原则巳不适应环保要求,开始尝试 “以堵为主”的防排水原则。封堵地下水会使隧道衬砌承受巨大水压灯,“以堵为主”的关键问题是预测和防治隧 道水压力。 研究方法:隧道水压力受地下水水头损失和地下水与衬砌接触面积的双重影响,据此在调整岩溶隧道水头 折减系数的基础上,分析隧道水压力模式。 研究结果:给出了用渗流水量确定隧道水压力的公式,继而讨论了基于水环境平衡的适度排水和围岩注浆 的防治原则,并给出了注浆圈和其内衬砌的水压力的计算公式。 研究结论:引用锦屏二级水电站探洞和渝怀铁路圆梁山隧道的实测资料对上述水压力公式进行检验,其计 算的隧道水压力较符合实际。     

基于支护结构安全系数的铁路隧道围岩膨胀性分级方法

采用室内试验方法建立隧道膨胀性围岩含水量、加载压力与膨胀率的关系,以及自由膨胀率与无荷膨胀率、有荷膨胀率的关系;采用数值方法模拟新建山西中南部铁路线上庄1号隧道的施工过程,计算得到了不同膨胀率条件下各施工步序支护结构各截面的弯矩和轴力,从而计算出安全系数;基于隧道施工过程中支护结构安全系数计算,建立不同线膨胀率与隧道结构安全系数的关系并得到其计算公式,进而根据自由膨胀率、50 kPa荷载下有荷线膨胀率将膨胀土划分为Ⅰ～Ⅳ级。研究成果为类似膨胀土隧道的修建提供参考,具有重要的现实意义。     

基于Biot固结方程研究地下水位对隧道防水型衬砌的内力影响

地下水位是影响隧道防水型衬砌力学行为的一个重要因素。为了研究地下水位变化对防水型衬砌的影响,基于Biot固结方程考虑17种不同地下水位的工况。利用FLAC3D有限差分法数值模拟,采用均匀连续各向同性渗流模型,得到不同工况下隧道衬砌结构的内力。通过分析衬砌在不同水位下产生的内力,总结地下水位变化对隧道防水型衬砌受力的影响规律。计算结果表明:地下水位在大于隧道半径3倍以上的范围,拱顶、拱肩与拱墙的轴力不随地下水位变化;在地下水位变化的时候,拱顶为最不利位置,拱墙为安全位置。     

隧道围岩渗流和衬砌水压力荷载

从地下水的渗流作用出发,对作用于隧道衬砌的水压力荷载的计算进行了讨论,并得出以下几个结论：一是在采用全封堵防水衬砌的情况下,无论围岩的渗透系数多小,都必须考虑同地下水位相应的水压力荷载。二是只有透水的衬砌（或设置排导系统）才能考虑水压力折减系数。水压力折减系数的量值主要取决于衬砌渗透系数同地层渗透系数之比。三是对于高水头的深埋隧道,为避免量值较大的水压力,应设置排导系统,不宜采用全封堵衬砌结构。要采用围岩注浆来控制地下水的排放流量。     

考虑流变特性的隧道围岩变形效应分析

为了探讨考虑流变效应情况下隧道围岩和衬砌的变形情况,从而进一步确定隧道的合理衬砌时机。首先,分析围岩的流变特性对隧道变形和衬砌抗力的影响,通过理论推导得到了同时考虑黏弹塑性的隧道围岩变形计算公式,该公式包含时间参数,可确定达到不同衬砌位移及围岩位移所需要的时间。然后,以南龙铁路隧道工程为背景,针对隧道拱顶下沉、周边收敛、围岩压力和初衬内力,开展隧道二衬合理支护时机的监测分析,得到围岩变形计算公式中的待定系数,并确定隧道衬砌的合理支护时机。将得到的结果与现场监测的结果进行对比,发现二者得到的二衬支护时机基本相同,从而验证计算结果的正确性。