隧道排水系统局部堵塞后的衬砌外水压力及其受力特性研究

摘要

隧道工程在穿越地下水丰富区域时，因面临高压地下水，由地下水引发的相关问题在隧道工程中时有发生。而隧道的排水系统可能因多种原因发生局部堵塞，造成其排水能力下降。目前，对隧道排水系统的局部堵塞问题进行相关的研究时，多假设在隧道同一个断面上的排水系统的堵塞程度完全相同，但实际工程中的情况并非完全如此。现将隧道同一个断面上的排水系统堵塞状态分为对称和非对称的两种情况分别进行研究，对比两种堵塞状态对隧道的影响。基于此，采用现场试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，对隧道周边渗流场的分布规律加以研究，找出隧道衬砌结构的受力的变化规律；分析不同排水系统局部堵塞长度和注浆加固圈参数对衬砌外水压力、受力最不利位置和安全系数的影响。主要研究内容和成果如下：
　　①进行隧道排水系统非对称堵塞和对称堵塞两种模式下的局部堵塞现场试验，随着堵水长度的加长，二次衬砌的外水压力逐渐增加。同样排水系统局部堵塞长度时，非对称堵塞时的外水压力最大值总是小于对称堵塞时的值。排水系统局部堵塞对二次衬砌各部位受力影响较大，随着堵塞长度增加，二次衬砌各部位受力值均有增加。非对称堵塞时，衬砌堵塞一侧的拱肩和拱腰位置受到影响最为明显，对称堵塞时则相对平均。对隧道衬砌的监测说明排水系统的堵塞模式对其受力的影响有很大关系。
　　②结合渗流问题的Laplace偏微分方程的数值解法，对多种隧道半径，多种地下水压力的情况进行大量的偏微分方程数值求解，在累积大量数据的基础上，对排水系统堵塞侧背后的水压力分布情况进行了拟合，明确了排水系统堵塞侧的衬砌结构背后的水压力在特定路径上的分布规律。
　　③针对隧道可能出现的半侧排水系统堵塞的情况，通过引入数学中的复平面保角变换、函数图象移动、Sturm-Liouville问题、分离变量法等方法进行计算，首先得出了隧道半侧排水系统堵塞后的周边渗流场分布计算式，进而给出了隧道半侧排水系统堵塞后的隧道渗流总量，并与数值计算结果进行了对比验证。
　　④在隧道排水系统发生局部堵塞后，两种堵塞模式下的二次衬砌外水压力均高于排水正常时的值。堵塞长度越长，堵塞区段上的二次衬砌外水压力越大，注浆加固圈分担的水压力值就越小，这与注浆加固圈的施作目的是截然相反的。排水系统对称堵塞模式下的二次衬砌外水压力明显高于非对称堵塞模式。
　　⑤在排水系统局部堵塞长度不同或注浆加固圈设计参数不同时，衬砌安全系数的控制因素并非一定是能够引起更高二次衬砌外水压力的对称堵塞模式。因此当隧道设计时，若需要考虑排水系统局部堵塞对安全性的影响时，排水系统堵塞的两种模式均需要进行强度校核。
　　⑥采用增大注浆加固圈厚度的手段提升隧道安全性时，应认识到当注浆厚度大于一定值后，两种排水系统堵塞模式都有可能成为隧道衬砌的安全性的控制因素，应当对两种排水系统堵塞模式下的隧道安全性都进行校核。采用增大注浆加固圈堵水能力的设计方案时，有相似的结论。

目录

1绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 技术路线

2 隧道排水系统局部堵塞的现场试验研究

2.1 引言

2.2 工程概况

2.3 排水系统局部堵塞现场试验的目的和方案

2.4 排水系统通畅时的衬砌混凝土应力

2.5 排水系统非对称堵塞后的衬砌外水压力及混凝土应力

2.6 排水系统对称堵塞后的衬砌外水压力及混凝土应力

2.7 本章小结

3 隧道排水系统非对称堵塞后衬砌背后水压力理论分析

3.1 引言

3.2 背景假设

3.3 计算模型的建立

3.4 排水堵塞侧衬砌背后的水压力分布

3.5 本章小结

4 隧道排水系统堵塞后的渗流场解析研究

4.1 引言

4.2 基本理论

4.3 排水系统对称堵塞时的渗流场

4.4 排水系统非对称堵塞时的渗流场

4.5 理论计算与数值模拟结果的对比

4.6 本章小结

5 不同排水系统局部堵塞长度下衬砌外水压力分布及其稳定性分析

5.1 引言

5.2 数值模拟的准备工作和模型建立

5.3 不同排水系统非对称堵塞长度对隧道的影响

5.4 不同排水系统对称堵塞长度对隧道的影响

5.5 隧道稳定性变化规律

5.6 二次衬砌外水压力数值模拟与现场试验数据的对比

5.7 本章小结

6 隧道排水系统局部堵塞对衬砌结构安全的影响

6.1 引言

6.2 隧道衬砌设计

6.3 不同排水系统局部堵塞长度下的衬砌受力特性与安全系数

6.4 排水系统局部堵塞下注浆加固圈厚度对衬砌安全性的影响

6.5 排水系统局部堵塞时不同注浆圈渗透系数对衬砌安全性的影响

6.6 排水系统两种不同的堵塞模式对隧道衬砌设计的影响

6.7 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 论文的创新点

7.3 对后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读博士学位期间获得专利