风化含水岩层非对称小净距隧道施工力学特性研究

摘要

在非对称小净距隧道进行设计时，对隧道进行深、浅埋的分界是计算围岩垂直荷载的主要依据;对非对称小净距隧道进行影响分类可以为支护结构的选取和支护结构的施作时机提供重要的参考。然而目前，在此方面尚无成熟的理论和相关规范可供参考。此外，随着水下隧道、海底隧道以及富水地层中地下铁路的大量修建，渗流分析、流固耦合分析与不良地层的加固处理技术仍有待研究。
　　首先，基于塌落拱理论和塑性区分析，对非对称小净距隧道的深、浅埋进行了判定;确定了双洞之间影响严重，应当尽量避免小于的最小净距值;通过应变能密度转换规律的理论分析，给出了简化的应变能密度计算公式。综合上述研究，提出了非对称小净距隧道的影响分类表。
　　其次，通过有限元进行数值模拟，研究了在各级围岩情况下和采用不同开挖方式时，隧道衬砌结构的变形和内力情况，提出了优化的开挖方法以及左右洞施工顺序等。研究了注浆加固和对拉预应力锚杆等对改善中岩墙稳定性的作用，以及不同注浆加固范围、预应力锚杆的布设形式和各种加固手段的主要适用条件等。
　　再次，通过渗流分析，模拟出降水条件和自然水面下隧道开挖后的渗流场的稳态状态，研究了隧道开挖后渗流场的变化;通过理论公式和数值模拟对隧道内涌水量进行计算;通过流固耦合分析，研究掌子面前方的土体应力场、位移场的变化规律，以及基于Coulomb失效准则研究掌子面渗流对掌子面稳定性的影响。
　　最后，基于渗透原理和宾汉流体本构模态，建立了黏性浆液以恒定注浆速率在岩石裂隙中扩散的理论模型，推导出了渗流模型和假定裂隙模型两种模型的岩石裂隙浆液扩散压力场与渗流场随时间和空间的计算公式，并利用数值模拟进行了验证。通过理论解析和数值模拟，研究了考虑流固耦合作用后不同注浆速度下注浆压力、注浆半径、裂隙率和渗透率随时间的变化。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 非对称小净距隧道研究现状

1．2．2 裂隙岩体渗流场特性研究现状

1．2．3 注浆加固浆液扩散研究现状

1．3 研究内容与方法

1．4 研究依托工程

第2章 非对称小净距隧道施工应变能密度变化及其分类

2．1 非对称小净距隧道深、浅埋分界判定

2．2 非对称小净距隧道允许净距下限

2．3 非对称小净距隧道开挖应变能密度变化特性

2．3．1 应变能密度概念

2．3．2 非对称小净距隧道与单洞隧道弹性应变能密度对比

2．3．3 不同围岩等级对弹性应变能密度的影响

2．3．4 不同隧道净距对弹性应变能密度的影响

2．4 非对称小净距隧道的分类

2．5 本章小结

第3章 非对称小净距隧道施工力学特性研究

3．1 非对称小净距隧道开挖方法对比

3．1．1 数值模型

3．1．2 结果分析

3．2 不同条件下非对称小净距隧道施工对中岩墙的影响

3．2．1 不同初期支护对中岩墙的影响

3．2．2 不同开挖顺序对中岩墙的影响

3．2．3 不同围岩级别对中岩墙的影响

3．3 非对称小净距隧道中岩墙加固效果分析

3．3．1 注浆加固

3．3．2 平行对拉预应力锚杆

3．3．3 不平行对拉预应力锚杆

3．4 本章小结

第4章 风化富水地层非对称小净距隧道渗流场特性研究

4．1 渗流场计算理论

4．1．1 渗流控制微分方程

4．1．2 流固耦合分析方法

4．2 二维流场分析

4．2．1 数值模型

4．2．2 降水条件下毛洞隧道渗流场分析

4．2．3 降水条件下支护隧道渗流场分析

4．2．4 自然水面条件下隧道渗流场分析

4．3 三维渗流分析

4．3．1 数值模型

4．3．2 结果分析

4．4 流固耦合分析

4．4．1 Mises等效应力

4．4．2 位移场分布

4．4．3 掌子面破坏特征

4．5 本章小结

第5章 强风化花岗岩裂隙注浆加固浆液扩散特性

5．1 裂隙注浆浆液扩散的理论解析

5．1．1 假定条件

5．1．2 渗流分析模型

5．1．3 宾汉体分析模型

5．1．4 基于两种模型的渗流场和应力场

5．2 裂隙注浆浆液扩散的数值模拟

5．3 浆液扩散理论解析的数值验证

5．4 裂隙注浆浆液扩散范围二维数值模拟

5．5 裂隙注浆浆液扩散范围三维数值模拟

5．6 考虑流固耦合诱发裂隙率和渗透率变化的浆液扩散模拟

5．6．1 耦合理论

5．6．2 结果分析

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间参加科研项目