新型海底隧道模型试验系统的研制及断层涌水试验研究

摘要

近些年来，随着我国基础建设事业的飞速发展，跨海交通越来越受到人们的重视，海底隧道因其在航运、水文地质等诸多方面的优势而得到空前繁荣。
　　 海底隧道由于其修建位置的特殊性及复杂性，较普通山岭隧道具有更大的风险及难度，且研究难度较大。目前对它的研究仍停留在理论分析及数值模拟上，对于其模型试验方面的探索还比较少。本文针对这一研究空白，重点对海底隧道模型试验系统进行创新发展，对含断层的海底隧道工况进行模拟研究，并最终将其应用于青岛胶州湾海底隧道。本文在前人研究的基础上，主要开展了以下几方面的工作:
　　 (1)在传统地质力学模型试验的基础上，基于流固耦合相似理论，通过大量对比试验，研制出围岩及断层新型流固耦合相似材料，其中围岩相似材料以水泥和凡士林作为胶结剂，砂、重晶石粉和滑石粉为骨料，硅油为调节剂;断层相似材料选择石膏和凡士林作为胶结剂，石英砂和滑石粉为骨料，考虑固体变形和渗透性相似条件，结合脆性破坏特征分析，解决了材料遇水崩解和模拟相似度差等问题。
　　 (2)研发了新型可拓展海底隧道模型试验系统，主要由模型试验台架、水压控制加载系统、多元信息监测系统、模型试验数据采集及分析系统组成。模型试验台架以钢结构结合钢化玻璃为主要框架，整体尺寸:长×宽×高=3000mm×1200mm×2700mm，配以自主设计的渗水流速采集装置、实时显示系统，可模拟不同尺寸、类型要求的突涌水试验。
　　 (3)基于上述新型流固耦合相似材料及海底隧道模型试验系统，开展了青岛胶州湾海底隧道断层突涌水试验，捕捉到了围岩及断层处的渗流场、位移场、应力场的微小信息变化，揭示了围岩及断层受力和变形的时空演化规律及断层涌水变化规律，再现了隧道开挖对隧道稳定性的影响，相似材料满足试验要求，模型试验系统稳定可靠。试验发现隧道开挖对围岩及断层的位移场、应力场和渗流场影响明显，各监测数据在开挖到监测面时，发生突变;在涌水发生时刻，也发生监测量的激增。随着开挖的推进，各监测量都经历了稳定、突变、稳定三个阶段。

目录

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CONTENTS

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 海底隧道建设概况

1．2．2 流固耦合理论研究现状

1．2．3 固耦合模型试验台架研究现状

1．2．4 流固耦合模型试验相似材料研究现状

1．2．5 流固耦合模型信息采集系统研究现状

1．3 本文的主要工作

第二章 海底隧道围岩相似材料的研制

2．1 流-固耦合相似理论

2．1．1 相似基本定理

2．1．2 流-固耦合相似理论

2．2 围岩相似材料的配制

2．2．1 原材料的选择

2．2．2 试件的制作和养护

2．3 基本力学参数测试

2．3．1 试件密度测试

2．3．2 单轴抗压强度和弹性模量测试

2．3．3 单轴抗拉强度测试

2．3．4 渗透系数测试

2．3．5 材料强度折减测试

2．4 围岩相似材料影响因素

2．4．1 强度和弹性模量影响因素

2．4．2 渗透系数影响因素

第三章 海底隧道F4-4断层相似材料的研制

3．1 试验对断层材料的要求

3．2 断层相似材料的配制

3．2．1 原材料的选择

3．2．2 试件的制作和养护

3．3 基本力学参数测试

3．4 断层相似材料影响因素

3．4．1 强度和弹性模量影响因素

3．4．2 渗透系数影响因素

3．5 新型流-固耦合相似材料的试验应用

第四章 三维流固耦合模型试验系统的研制

4．1 引言

4．2 试验系统装置

4．3 多元信息监测系统

第五章 试验数据采集及分析系统的开发

5．1 青岛胶州湾海底隧道模型试验分析软件

5．1．1 软件界面介绍

5．1．2 软件特色介绍

5．1．3 软件的使用

5．2 断层涌水信息采集软件

5．2．1 软件界面介绍

5．2．2 软件特色介绍

5．2．3 软件的使用

第六章 青岛胶州湾海底隧道断层涌水试验研究

6．1 引言

6．2 工程背景

6．2．1 工程概况

6．2．2 原型选取

6．3 试验总体设计

6．3．1 试验内容设计

6．3．2 试验实施过程

第七章 试验过程观察及结果分析

7．1 开挖过程中的结果分析

7．1．1 应变特征分析

7．1．2 位移变化特征分析

7．1．3 渗压变化特征分析

7．1．4 施工过程洞壁压力结果分析

7．2 涌水过程中的结果分析

7．2．1 断层涌水过程

7．2．2 位移变化特征分析

7．2．3 渗压变化特征分析

7．2．4 涌水量变化特征分析

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

致谢

在读期间的研究成果

参考文献