高水压水下隧道合理涌水量限排设计研究

为减小作用在汕头湾海底隧道衬砌背后的水压力,确定高水压水下隧道合理的涌水量限排设计方案,采用ABAQUS软件模拟“仅采用纵向盲管”、“纵向盲管+间隔12 m的环向盲管”、“纵向盲管+间隔6 m的环向盲管”3种泄压排水方案下,不同泄压值的隧道涌水量及衬砌背后水压力。对比分析得出,随着泄压值增加,隧道涌水量线性降低,而横截面衬砌背后水压力线性增大;环向盲管分布越密集,隧道涌水量对于泄压值的变化越敏感,隧道横截面上衬砌背后水压力受泄压值变化的影响程度越高;此外,隧道横截面上监测点离纵向盲管越远,其衬砌背后水压力受泄压值变化的影响程度越低;采用泄压值为600 kPa的“纵向盲管+间隔12 m的环向盲管”进行泄压排水时,能够使最不利隧道横截面拱脚处的衬砌背后水压力达到最小,从而客观地确定了汕头湾海底隧道合理涌水量限排设计方案。     

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。     

高水压隧道衬砌背后水压力预测模型研究

研究目的:以邢和铁路天河山隧道为依托,开展隧道衬砌背后水压力预测模型研究.首先结合地下水动力学理论,考虑"围岩-注浆层-衬砌-防水板-盲管"不同介质渗透特性,理论推导隧道衬砌背后水压力和排水量预测公式;其次通过3DEC离散元验证理论预测模型的合理性;最后对衬砌背后水压力影响因素进行参数敏感性分析.研究结论:(1)本文提...     

地震作用下隧道衬砌背后空洞影响机制研究

研究目的:由于隧道衬砌背后空洞的存在对隧道抗震影响很大,本文以高烈度地震区的敦煌-格尔木铁路阔克萨隧道为研究背景,研究隧道衬砌背后空洞位置、空洞大小、围岩级别和隧道埋深等因素对隧道结构的地震动力响应规律及影响机制,并提出合理的加固方案,确保地震作用下隧道运营安全。研究结论:(1)空洞的存在降低了衬砌结构的变形性能和抗震特性;(2)对空洞隧道拱顶最大主应力影响最敏感的因素是围岩级别,其后依次为空洞环向大小、空洞位置、空洞径向大小和空洞轴向大小,而隧道埋深则是最不敏感的因素;(3)回填注浆加固方案可降低隧道衬砌的拉应力,改善衬砌的内力和应力分布,回填注浆+套拱加固方案要比回填注浆+锚杆方案作用效果好,回填注浆+锚杆+套拱组合加固方案抗震效果最佳;(4)本研究成果对隧道衬砌背后存在空洞时在地震作用下的空洞影响机制和加固方案选取具有一定的指导意义。     

裂隙岩体中衬砌水压力简化计算

裂隙岩体中水的渗流与一般散粒体中水的渗流不同,裂隙岩体中的水压力以面力形式作用在裂隙壁面上.本文分别从二维、三维情况出发,证明了裂隙块状围岩中的水压力能通过岩块传递到衬砌上,作用在衬砌上的水压力强度等于裂隙壁面上的水压力.只要岩体裂隙构成网络,裂隙岩体中水压力在宏观上仍然是一种体积力,块状裂隙围岩中的隧道衬砌外水压力可以按等效连续介质的散粒体理论进行简化计算.     

寒区隧道冻胀力模型试验及围岩注浆效果研究

为了研究寒区隧道衬砌背后积水位置不同时结构的受力变化规律和破坏形式,进行冻胀力的室内模型试验。模型试验采用不同水囊大小和分布位置来模拟衬砌背后积水情况,通过模型试验箱外界环境整体降温和隧道底部局部降温的方式,模拟隧道外界的低温环境。试验结果表明:衬砌背后冻胀力在拱顶处较小,在边墙和拱脚处较大;在相同的冻胀压力作用下,拱顶处更容易破坏。最后采用数值计算,对比分析围岩注浆前后3种试验工况下隧道衬砌结构的可靠度。结果表明:仅靠提高衬砌结构的厚度和强度来预防或消除衬砌结构冻害的方法是不可取的,在富水区的寒区隧道采用围岩注浆加固具有较好的效果。     

岩体隧道围岩弹塑性变形条件下管片衬砌支护机理研究

基于D-P屈服准则的围岩支护作用理论,以隧道掘进机(TBM)施工过程中支护位置与掌子面的距离作为动态参数,综合考虑注浆圈的应力变形特征,构建岩体隧道围岩弹塑性变形条件下围岩、注浆圈和管片衬砌三者动态变形协调方程,提出三者的变形计算方法和管片衬砌围岩压力计算方法,明确管片衬砌对采用TBM开挖的岩体隧道的支护机理。针对新街台格庙岩体隧道工程实例,计算不同支护条件下围岩变形及管片衬砌围岩压力,并通过数值模拟验证理论方法的合理性和有效性。结果表明:如果在掌子面开挖处开始进行支护,管片衬砌围岩压力将达到1.91 MPa,管片安全系数仅为0.76;如果在掌子面后4 m开始进行支护,安全系数将提升至1.25。建议距离掌子面12 m处开始进行支护,可将围岩压力降至0.24 MPa,管片衬砌具有较高的安全系数。     

基于特定环境限制的隧道允许排水量计算与结构优化

隧道允许渗水量对地下水及结构影响较大,为确定其合理值,首先利用反映法将有界含水层用映射原理转化为无界问题,再基于线性系统叠加原理求解控制点水头势函数,进而利用环境限制条件计算渗水量极限值解析解,同时推导初期支护内外壁水头压力表达式,最后基于工程案例对理论公式进行验证并优化设计.研究结果表明:隧道允许渗水量与控制点周围介质渗透系数及水位允许降深的乘积成正比;降低注浆圈与初期支护渗透系数可减少隧道涌水量,但超过一定界限后隧道涌水量对两者渗透系数的敏感性均可忽略;注浆圈半径增大到一定程度后(本实例为6 m),环向盲管工作状态对二次衬砌外壁水压力影响急剧增大,须定期对环向盲管进行检查,避免水压力对防水板及二次衬砌造成较大破坏.     

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。     

隧道衬砌水压力计算与控制方法探讨

研究目的:在长期运营过程中,因各种原因,隧道排水系统会逐步堵塞,二次衬砌也会逐步承受水压力作用。现有衬砌水压力的计算方法是基于横断面二维模型得出的,有必要基于防排水系统的空间效应,研究衬砌水压力的纵向分布特征及最大水压力控制方法。研究结论:(1)按现有横断面二维模型计算得到的结构水压力,考虑防排水系统的空间效应后会形成水压力重分布;(2)堵塞段二次衬砌最大水压力大致与地下水"余量"及堵塞段长度的平方成正比,与排水层的总面积及其渗透系数的乘积成反比;(3)建议二次衬砌水压力荷载取值:对于山岭隧道,当排水量小或维护作业难度小时可以不考虑水压力,否则宜控制在0.05~0.15 MPa以内;对于水下隧道,公路隧道宜控制在0.2~0.3 MPa以内,铁路隧道或地铁隧道宜控制在0.4~0.6 MPa以内;(4)在隧道内每间隔一定距离设置"泄压环"可以有效控制结构的最大水压力;(5)本研究结果可为隧道衬砌最大水压力取值与控制提供思路和方法。     

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.     

岩溶隧道水压力的研究与确定

研究目的:通过对渝怀线、宜万线重点岩溶隧道水压力实测,研究岩溶隧道初始水压力值的影响因素、计算公式;通过对水压力长时间监测,研究水压力降雨响应;通过监测水压力值,绘制水压力曲线,并分析曲线特征,对岩溶隧道的堵水治理提供参考;对注浆后水压力分析,提出注浆后二次衬砌水压力设防建议. 研究结论:岩溶隧道水压力与上、下排泄基准面高程和排泄能力有关,不能采用折减系数法确定.水压力对降雨有强烈响应.放水后升压试验能反映岩溶几何形态.衬砌结构设防应根据地质条件、原始水压力值和注浆效果确定.     

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。     

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。     

高水压富水山岭隧道设计

通过对地下水渗流场理论解析公式的推导与分析,结合宜万线齐岳山隧道高水压富水地段现场具体处理情况,提出高水位富水隧道设计应遵循的基本原则"以堵为主,限量排放";地层注浆是实现限量排放的主要方式,确定注浆加固范围时应注意注浆帷幕体自身的稳定性;排水系统是衬砌结构设计中不可缺少的一部分,在完善可靠的排水系统下,衬砌结构承受的外水荷载可以较大幅度地进行折减。     

富水隧道基于温度比拟法的合理注浆参数研究

以南大梁(南充-大竹-梁平)高速华蓥山隧道为工程背景,针对其在断层富水区段使用的“以堵为主,限量排放”的防排水原则,采用温度比拟法对不同注浆参数下衬砌的外水压力、内力、安全系数以及隧道排水量进行研究。研究结果表明:注浆圈在一定施作范围内可有效降低隧道洞内排水量、衬砌结构外水压及其内力,从而增大衬砌结构安全系数,提高其安全储备能力,但总体而言,注浆参数存在一个相对经济合理的范围。据此,以隧道设计排水量和二次衬砌结构安全性为评判标准,结合隧区生态环境等要求,提出华蓥山隧道注浆参数的设计建议值。     

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。     

裂隙岩体注浆技术在长春地铁中的应用

地铁隧道建设中地下岩体裂隙形成的涌水通道致使地下水渗入隧道洞室,危害地铁运营安全。结合长春地铁2号线解放大路站—平阳街站区间隧道渗水情况,采用先深后浅,最后重点部位强化注浆方式综合治理围岩裂隙涌水获得了良好的治理效果,有效地根治了地铁隧道初期支护背后围岩裂隙涌水的问题,以期该技术为地铁隧道初支背后注浆提供借鉴。     

泄水式管片衬砌不同泄水方案的流固耦合分析

泄水式管片衬砌是在常规管片衬砌基础上改进的结构形式,可用于TBM施工的高水压隧道工程。本文基于裂隙岩体连续介质流固耦合模型,研究无泄水孔、单环单侧单泄水孔、单环单侧双泄水孔等不同泄水方案下衬砌壁后及围岩内的水压力分布形态、泄流量大小。研究表明:开设泄水孔能明显降低衬砌壁后水压力,泄水孔数量与水压力折减值、泄流量成正向关系,与水压力降低效应增长成反向关系;泄水孔数量变化对靠近泄水孔的衬砌中下部,尤其是泄水孔所在高程,水压降低效应变化明显,而衬砌中上部相差不大;建议泄水孔数量在综合分析设计水压力和水环境保护的基础上确定。     

考虑相变和围岩含水裂隙的隧道冻胀力研究

研究目的:为掌握寒区隧道冻胀力特征,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过室内试验、温度测试和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立仅考虑围岩冻胀的计算模型,研究相变潜热和围岩含水裂隙对衬砌结构和围岩内力的影响。研究结论:(1)考虑相变潜热能减少衬砌结构内力,相变潜热对衬砌结构冻胀内力的影响随着计算时间的增加愈加明显;(2)含水裂隙使初期支护的最大拉、压应力增大,而使二次衬砌的最大拉、压应力减小,且对初期支护的最大拉、压应力影响明显大于二次衬砌结构,相对于无围岩裂隙,含水裂隙的存在推迟了衬砌结构应力出现的计算时间并使围岩各截线位置的第一主应力变化规律由W型转变为V型;(3)相变潜热和含水裂隙对衬砌结构的最大拉、压应力位置,衬砌结构和围岩的主应力分布规律及量值大小均有一定影响,实际工程中应注意减小围岩裂隙对结构的影响;(4)本研究结论可为类似高寒地区相变潜热和围岩含水裂隙对隧道冻胀力的影响大小提供借鉴或参考。