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.     

半无限平面双孔平行隧道渗流场解析研究

以镜像法和渗流力学理论为基础,推导了半无限平面双孔近距平行隧道稳定渗流场的解析解,并与数值解进行了对比验证。对2个平行隧道间距,注浆圈和初期支护的渗透系数、厚度等参数对隧道涌水量和初期支护后水压力的影响进行了分析。研究结果表明:随着2个隧道水平间距的增大,隧道的涌水量和衬砌后水压力逐渐增大;当隧道中心水平间距大于隧道半径的20倍时,水平间距的影响几乎可以忽略不计;随着其中一个隧道埋深的逐渐增大,该隧道涌水量和初期支护后水压力逐渐减小,而邻近隧道涌水量和初期支护后水压力先减小后增大;随着隧道注浆圈渗透系数的减小和注浆圈厚度的增大,隧道涌水量和初期支护后水压力均逐渐减小;随着隧道初期支护渗透系数的减小和初期支护厚度的增大,隧道涌水量逐渐减小,初期支护后水压力却逐渐增大。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征研究

为了解黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征,得出荷载在衬砌结构各部分中的分担比例,本文以西安地铁二号线为研究对象,选取2组不同围岩条件的测试断面,开展现场测试工作。对围岩与初期支护接触压力、初期支护与二次衬砌接触压力及二次衬砌结构应力进行研究。结果表明:隧道墙脚位置初期支护与围岩之间接触压力较大,表明这二者承受大部分垂直压力;初期支护所受围岩压力随着土体强度降低而增大,且分布形式更趋于静水压力作用特点;二次衬砌作为主要支护结构承担大部分荷载,初期支护与二次衬砌接触压力随围岩土体强度降低而显著增大,二次衬砌在支护体系中作用也随土体强度降低而凸显;二次衬砌混凝土基本受压,拱腰及以上位置应力较大,仰拱处应力较小。     

乌鞘岭隧道F7断层初期支护与二次衬砌接触压力估算

乌鞘岭隧道F7断层全长817m,二次衬砌在初期支护未趋稳定情况下施作,势必导致初期支护对二次衬砌的压力较大,了解其压力的大小对设计、施工有重要意义.通过二次衬砌的收敛量测,考虑二次衬砌混凝土弹性模量、收缩变形随时间变化等因素,探讨并估算初期支护对二次衬砌接触压力的大小.     

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。     

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。     

基于流固耦合作用的海底隧道初期支护安全影响因素分析

以青岛海底隧道试验段为工程背景,基于流固耦合理论对海底隧道初期支护安全性的影响因素进行分析,结论表明:(1)注浆加固显著改善了洞周土体强度和整体性,塑性区范围得到有效控制;(2)注浆加固优化了支护结构的受力,随着加固圈厚度的增加,洞周位移出现不同程度的衰减,加固圈厚度对减小水压的贡献依次为:拱顶拱腰拱脚仰拱;(3)随着加固圈渗透系数的增大,洞周水压力随之增大;(4)在流固耦合作用下,仰拱处的土压力远大于其他部位;(5)现行支护参数条件下,海底隧道初期支护结构满足安全性要求,现场实测与数值计算基本相符。     

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。     

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。     

矿山法施工的近海地铁隧道围岩注浆圈参数选择

青岛地铁13号线井冈山路站至嘉年华站区间隧道敷设在近海区域。该区域围岩较为破碎,裂隙水与海水连通,隧道开挖后预测最大单位涌水量达31.2 m3/(m·d),故防水问题十分突出。借鉴类似工程,确定区间隧道初期支护单位渗水量允许值为0.3 m3/(m·d);采用隧道渗水量简化模型计算不同水头高度、围岩渗透系数、注浆圈厚度与渗透性对初期支护渗水量的影响;基于施工空间和效益对注浆圈厚度的限制,确定不同水头高度和围岩渗透性条件下的注浆圈厚度和渗透系数的合理组合;通过现场初期支护渗水量测试,验证了注浆圈参数的合理性。结果表明:Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级强风化—微风化等级岩层中,注浆圈合理厚度分别为3.75~6.00 m、3.5~6.0 m和0.75~2.75 m,合理渗透系数分别为岩层的0.5%~1.2%、1%~2%和2%。     

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。     

高地应力软岩隧道围岩压力及二衬受力特征研究

为研究高地应力条件下软岩隧道围岩压力作用规律及二衬受力特征,依托兰新铁路第二双线大梁隧道,分别对隧道围岩与初期支护、初期支护与二次衬砌之间的接触压力进行现场监测,得出上述压力随时间变化规律和沿隧道横断面分布特征,基于实测围岩压力对隧道二次衬砌结构内力进行计算。研究结果表明:初支围岩压力和初支与二衬接触压力随时间发展呈不同变化规律;围岩压力在空间分布上表现出"两侧大、拱顶小"的侧向挤压特征;二次衬砌围岩压力分担比例平均值在45.0%~70.3%;实测围岩压力较规范围岩压力计算出的二衬内力更符合实际。     

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。