排水模式对高速铁路隧道仰拱变形影响研究

摘要

我国地域辽阔，地质条件复杂，铁路山岭隧道工程建设以及运营阶段常常出现各种病害，其中仰拱结构的变形在铁路隧道中尤其突出。当前对于地下水产生的仰拱变形主要考虑的是水理作用于围岩，由于围岩遇水软弱产生的破坏。但由于水的流动性和水压的可传递性，隧道的衬砌结构往往要承受较高的水压力。对于隧道仰拱在水压力作用下产生的变形鲜有研究。弄清水压力作用下仰拱隆起的原因以及如何选择合理地排水模式，对减少地下水压力对于仰拱变形的影响至关重要。本文依托拟建的川藏铁路成康段隧道工程，采用理论解析、数值模拟以及模型试验的方法，研究了外水作用下隧道衬砌仰拱变形成因以及不同排水模式对隧道仰拱变形的影响。主要研究成果如下： 1. 统计和分析了国内外由于水压力作用下发生变形破坏的隧道，并识别出三个在外水作用下仰拱的变形原因。同时对目前常用的隧道排水模式进行对比分析，总结出它们的优缺点，特别是对于富水地层仰拱的影响。基于相关渗流理论，阐述了有限差分软件FLAC3D对于流固耦合模拟的原理和过程，论证了有限差分法计算渗流场的可行性。 2.通过数值模拟方法以及模型试验对水作用下围岩渗透系数、水头高度以及初支与二衬之间的空隙对仰拱隆起的作用进行了分析。发现初支与二衬之间存有空隙的情况对仰拱变形影响相比于水头高度以及围岩系数都要大。 3.排水系统的存在对衬砌结构水压力影响较大。通过数值模拟方法以及模型试验对两侧排水以及仰拱排水两种排水模式进行分析，发现在排水良好的情况下，排水系统的存在能较好的降低衬砌水压，对仰拱处变形有一定的缓解作用。由于隧道底部位置水压要高于墙角处，所以相比于将泄水孔设置在墙角，仰拱处排水可以改善仰拱的受力条件。 4. 衬砌内力会随着渗透系数增大、水头高度的增加而增加。渗流场和围岩应力场是相互影响的。二衬与初支之间空隙的存在，在水压力的作用下对衬砌内力影响并不大。同时，在排水系统的疏导作用下，环向排水管以及泄水孔所在的截面衬砌水压力要小于其他截面，衬砌应力也小于其他截面。两侧排水能够减小除墙角处以外衬砌其它位置的内力，特别是墙角处。

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