水工隧洞衬砌缺陷对其受力影响及应对技术研究

摘要

隧道隐蔽工程多，建设中难免存在衬砌背后空洞、衬砌厚度不足等缺陷，水工隧洞也是如此，且水工隧洞均富水，水的存在可能会对隧洞的运行安全产生影响，因此有必要对富水环境下隧洞衬砌缺陷对其影响进行研究，并提出相应的应对技术。
　　本文在前人研究基础上展开工作，主要工作及结论如下：
　　（1）通过文献调研了解常见隧洞衬砌缺陷存在位置及缺陷现状，为拟定数值模拟方案提供必要参数。
　　（2）基于流固耦合理论，通过有限元数值软件建立衬砌背后存在空洞的水工隧洞模型，分析了空洞位置、大小及内水压力等因素对衬砌受力特征的影响。分析表明衬砌背后空洞缺陷会影响隧洞衬砌受力分布，尤其是空洞附近衬砌受空洞位置、大小及内水压力影响较大，隧洞充水前，衬砌各处应力为“外侧受压，内侧受拉”，拉、压应力均较小，充水后应力分布规律基本不变，但是应力值有较大幅度增大；若衬砌背后存在空洞，其附近的衬砌应力分布向“外侧受拉，内侧受压”趋势转变，在这个趋势转变过程中会出现全截面受拉的状态，此状态对衬砌结构很不利，尤其是内水压力较大的情况下，但空洞较远处应力分布规律基本不受上述因素影响。
　　（3）考虑内水外渗固耦合作用，通过有限差分软件FLAC3D建立衬砌厚度不足的水工隧洞模型，分析了衬砌厚度不足位置、缺陷程度及内水大小对衬砌受力特征的影响。分析表明衬砌厚度不足缺陷对衬砌背后水压及衬砌有效应力影响规律和空洞类似，但是需要衬砌厚度不足严重到一定程度全截面受拉工况才比较明显，也随着内水压力增大而显著增大。由此可知，当衬砌本身存在缺陷时，当充水前影响不是很大，但当充水后应力会变化，其中会出现全截面受拉的工况，对结构受力不利，尤其是内水压力较大时，情况突出，必须加强施工过程的管控及运营期的养护，减小本身缺陷，降低风险。
　　（4）衬砌缺陷应对技术主要包括勘察、设计、施工阶段的预防及运营阶段的整治（回填压浆、内表面补强或内衬、锚杆补强等）。

目录

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主要符号说明

第一章 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 研究内容及技术路线

第二章 水工隧洞中的渗流-应力理论

2.1 渗流的基本概念

2.2 层流渗透理论

2.3 地下水基本渗流微分方程

2.4 水工隧洞中的水荷载施加

2.5 FLAC3D在流固耦合分析中的应用

2.6 本章小结

第三章 衬砌背后空洞缺陷对其受力特征影响研究

3.1 工程背景

3.2 数值模型的建立

3.3衬砌背后空洞计算工况拟定

3.4 衬砌背后空洞缺陷工况数值计算结果分析

3.5 本章小结

第四章 衬砌厚度不足缺陷对其受力特征影响研究

4.1 数值模型建立

4.2 衬砌厚度缺陷计算工况拟定

4.3 厚度不足缺陷工况数值计算结果分析

4.4 本章小结

第五章 衬砌背后空洞及厚度不足缺陷应对技术

5.1 衬砌缺陷预防

5.2 运营阶段衬砌缺陷整治

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢