考虑水荷载作用的铁路隧道衬砌结构设计

采用室内模型试验方法,通过改变围岩注浆圈模拟介质的渗透系数,进行10组铁路隧道衬砌结构的水荷载折减系数测试试验,研究水荷载折减系数与注浆圈综合渗透系数的关系。试验结果表明,当围岩注浆圈渗透系数小于10-5cm.s-1时,水荷载折减系数取0~0.3为宜;反之,取值为0.3~1。按考虑水荷载和不考虑水荷载两种受力模式对隧道衬砌结构进行计算分析结果表明,存在较大水荷载作用的隧道衬砌结构设计不宜套用标准图,建议采用钢筋混凝土圆形衬砌结构。     

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。     

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。     

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。     

中英钻爆法铁路隧道设计方法比较研究

针对钻爆法铁路隧道围岩分级、初期支护及二次衬砌设计方法等内容,对比分析了中英两国在隧道设计方法和理念方面的差异。对比分析表明,英国隧道设计基于巴顿的Q系统,该系统用表征岩体的RQD值,节理组数、粗糙度系数、地下水折减系数、蚀变系数及地应力折减系数来反映围岩整体力学性质,英国铁路隧道初期支护采用经验设计法,根据Q图谱进行预设计,采用有限元程序进行检算。二次衬砌采用极限状态理论进行设计,衬砌承受围岩压力的标准值由巴顿公式计算得出,二次衬砌设计时不考虑初期支护的作用。中国铁路隧道初期支护多采用类比法进行设计,并采用有限元法进行校核,二次衬砌普遍按破损阶段法设计,围岩压力根据统计回归公式计算,采用安全系数K控制结构安全性。相比而言,英国隧道设计方法和理念与围岩参数联系较为紧密和直观,而中国隧道设计方法基于定性与定量结合的围岩分级标准,两者差异明显。     

隧道衬砌水压力荷载及内力研究

通过轴对称解析计算和有限元数值计算隧道在不同衬砌渗透系数、不同注浆圈厚度、不同衬砌厚度条件下,衬砌背后的水压力、流量及衬砌内力,分析影响水压力的因素和水压力对衬砌内力的影响,轴对称解析计算和有限元数值计算结果显示水压力和流量十分接近。衬砌不透水时,水压力荷载系数不折减;在控制排水的条件下,调整衬砌渗透系数、注浆半径和衬砌厚度可以改变水压力、流量和衬砌内力。设计时正算水荷载,施工时通过监测流量反算水荷载,对水荷载设计进行检验和修正。     

外水压力对渭河隧道下穿河谷段衬砌结构的影响研究

由于我国复杂的地形地质条件许多山岭隧道修建在地下水丰富的地区,但是目前铁路、公路隧道设计规范并未对衬砌承受水荷载的计算方法予以明确规定,隧道结构设计常采用全水压力或经验方法,导致设计不合理或过于保守。针对这种情况,本文以渭河隧道为工程背景,利用有限差分法对下穿河道的隧道进行流固耦合数值模拟分析,得出考虑外水压力时衬砌设计应采用的折减系数;同时,将考虑与不考虑外水压力条件下结构受力进行对比分析,得出了外水压力对隧道衬砌结构受力的影响,可供类似工程设计及施工参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

南京东部山区矿山法施工的地铁隧道水文地质灾害及对策研究

结合含水岩层(组)、地质构造、地形地貌、水文气候等特征,对南京东部山区进行水文地质分区。在确定了不同地质体的渗透系数等参数的基础上,采用多种计算方法对不同水文地质单元内既有和新建矿山法隧道的典型地段标志点进行了涌水量和衬砌外水压力计算。结果表明:水文地质单元Ⅴ属强富水区,地铁建设风险高;其它单元内,张性、张扭性断裂控制了不同含水层的富水程度。建议加强支护和排水,确保南京地铁建设和运营安全。     

高水压富水山岭隧道不同排水率的分析研究

以某富水区山岭隧道为工程背景,通过建立有限元地层结构模型,对隧道结构在高水压力作用下的力学行为进行模拟分析,得出排水率对衬砌外侧水压力分布规律以及衬砌结构受力情况变化规律的影响。研究结果表明:通过改变排水率可以有效降低衬砌外侧水压力,但过低的降低排水率,衬砌外侧水压力降低效果不明显。     

岩溶隧道衬砌施工缝排水设施可维护性试验研究

岩溶隧道普遍存在排水系统出现结晶的问题,造成隧道排水不畅、衬砌水压过大、渗漏加剧等问题,对隧道的运营使用和结构安全造成影响。为提高岩溶隧道排水设施的可维护性和减少结晶现象,依托岩溶地区隧道衬砌施工缝渗漏水处治工程实例进行实践和探讨。该隧道的4条施工缝在通车后出现严重的渗漏水问题,通车2年后进行引排处治,但是由于岩溶水的结晶造成排水系统堵塞失效而复漏。在第二次处治中,对原处治方案进行改进:采用防护涂料对混凝土基面和PVC管壁面进行疏水处理,以减少碳酸钙结晶的附着;预留检查孔,可结合工业内窥镜对排水管内的结晶和堵塞情况进行检查。通过处治后约半年周期的检查结果证明,经过改进处治后的衬砌施工缝中结晶的情况明显减少,且排水系统的可维护性也得到提高。     

某隧道断层区段流固耦合分析及涌水处治措施研究

针对泽雅隧道穿越F10断层破碎带区围岩破碎、涌水量大等问题,为保证隧道的正常施工,确保后期运营安全,采用ABAQUS数值分析软件建立是否考虑流固耦合的模型,分析不同工况下衬砌的力学特性,计算显示渗流的存在导致隧道衬砌最大总应力增加52.15%,衬砌最大弯矩增加75.4%。鉴于涌水对隧道力学特性影响较大,进而结合隧道实际情况进行涌水处治措施比选,选取泄水孔结合径向注浆的处治措施,并运用数值分析手段对注浆圈厚度和注浆材料渗透系数进行优化,计算结果显示注浆层厚度为5~7 m时,注浆材料渗透系数为围岩的30~50倍时施工效果较好。该分析结果有效指导了施工,可为类似工程提供参考。     

土压平衡盾构加气排水防喷涌技术研究

针对地下水丰富、节理裂隙发育、渗透系数大和气密性差的地层,常规的土压平衡盾构掘进易发生喷涌现象,导致地表沉降变形大、施工效率低。本文依托兰州地铁1号线、2号线土压平衡盾构施工项目,建立土压平衡盾构舱内压力传递模型,对土压平衡盾构舱内压力传递原理和加气排水防喷涌机理进行研究,提出土压平衡盾构"加气排水"掘进施工方法;通过土压控制和掘进舱压控制实现了"加气排水"掘进施工的过程控制;应用地质雷达扫描和注浆加固技术解决了地层疏松、空腔等缺陷。