矿山法城市隧道渗流场演变及防排水问题研究

摘要

论文以深圳东部过境高速公路连接线工程为研究背景，选取多个典型特征区段作为研究对象，采用理论分析、现场试验、数值模拟以及室内模型试验等研究手段，从隧道施工阶段到运营阶段，对矿山法城市隧道渗流场演变、隧道涌水量预测、隧道渗流场影响范围及隧道排水量—水压力之间的关系等相关问题开展深入系统的研究。主要研究成果如下:
　　(1)通过流固耦合数值模拟，分析CD法施工过程中各开挖步对围岩—支护体系的影响，揭示了围岩和初期支护的应力、位移以及水压分布特征，并探明了不同地下水头和围岩渗透系数条件下隧道开挖的影响范围。
　　(2)以控制渗透系数为核心，研制出适用于矿山法隧道渗流试验的围岩、注浆圈、初衬等新型相似材料及其原料配比，利用自主研发的大型施工及运营期矿山法隧道渗流模型试验系统，对不同注浆圈和初衬渗透系数下，不考虑开挖扰动影响的施工期隧道涌水量进行预测，并以Visual-modflow软件进行数值建模分析，探明了注浆圈和初衬渗透系数对施工期涌水量的影响，揭示了渗流场的演变过程。
　　(3)提出了完整防排水体系下的隧道渗流场理论公式，并分析了注浆半径、注浆圈渗透系数和衬砌渗透系数等可变因素对隧道渗流场的作用，揭示了不同高度的动、静作用水头对水压力、排水量及渗流场的影响，以室内渗流模型试验研究了不同注浆圈渗透系数下，隧道施工期及运营期水压力变化特征，并以数值模拟方法剖析了特殊水文地质条件下（过断层带、下穿泄洪渠段等）注浆加固前后渗流场的演变。
　　(4)建立了高水位和低水位隧道运营期排水量及二衬外水压力的理论模型，剖析主动控制隧道排水量调节二衬外水压的效果，并以室内模型试验复核有限元分析所得排水量与水压力的关系。
　　论文研究成果对保障工程安全具有重要的指导作用与实际意义，同时可推广应用于地下水控制严格的矿山法城市隧道设计及施工中，并为未来制定规范提供理论和实践依据，继而为国家节约投资，其社会效益和经济效益是显著的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道渗流场相关研究

1．2．2 隧道涌水量相关研究

1．2．3 隧道水压力相关研究

1．3 存在的问题

1．4 本文研究背景、内容与方法

1．4．1 依托工程背景

1．4．2 研究内容与方法

第2章 矿山法城市隧道施工过程流固耦合问题研究

2．1．1 有限差分法理论

2．1．2 FLAC3D在流固耦合分析中的应用

2．2 隧道开挖步对围岩—支护体系的影响

2．2．1 计算模型建立

2．2．2 围岩应力结果分析

2．2．3 初期支护应力结果分析

2．2．4 初期支护位移结果分析

2．2．5 围岩水压力分析

2．2．6 初期支护水压力分析

2．3 隧道施工期渗流影响范围研究

2．3．1 不同地下水位的隧道施工期渗流影响范围

2．3．2 不同地层渗透系数的隧道施工期渗流影响范围

2．4 本章小结

第3章 施工期隧道涌水量预测模型试验研究

3．1 概述

3．2 模型试验的工程背景

3．3 模型试验相似材料的研制

3．3．1 模型试验相似理论

3．3．2 围岩相似材料

3．3．3 注浆圈相似材料

3．3．4 初期支护相似材料

3．4 渗流模型试验系统的研制

3．4．1 研制目的和意义

3．4．2 渗流模型试验系统的构造

3．4．3 渗流模型试验系统的优势

3．5 施工期隧道涌水量试验预测

3．5．1 试验工况及流程

3．5．2 试验结果分析

3．6 三维数值模型建立

3．6．1 地下水渗流数值模拟概述

3．6．2 渗流场模拟软件(Visual-modflow)简介

3．6．3 模型建立

3．7 计算结果分析

3．8 本章小结

第4章 运营期隧道渗流场分布及其影响因素研究

4．1 富水区城市隧道渗流场分布规律研究

4．1．1 隧道渗流场水压力分布规律理论研究

4．1．2 隧道渗流场水压力分布规律试验研究

4．1．3 理论计算与模型试验结果分析

4．2 隧道渗流场主要影响因素分析

4．3 动、静水头作用下的渗流模型试验研究

4．3．1 试验背景

4．3．2 试验概述

4．3．3 模型试验结果分析

4．4 不同注浆圈渗透系数的隧道渗流模型试验研究

4．4．1 试验概况

4．4．2 运营期隧道试验结果分析

4．4．3 施工期隧道试验结果分析

4．5 特殊地层隧道渗流场演变研究

4．5．1 断层带附近隧道渗流场演变

4．5．2 泄洪渠附近隧道渗流场演变

4．6 本章小结

第5章 矿山法隧道运营期排水量与水压力的关系

5．1 矿山法城市隧道排水量与水压力关系的一种预判方法

5．1．1 城市隧道排水量与水压力理论研究

5．1．2 理论计算在工程实例中的应用

5．2 矿山法城市隧道排水量与水压力关系的数值分析

5．2．1 隧道模型建立

5．2．2 隧道不排水时计算结果分析

5．2．3 隧道正常排水时计算结果分析

5．3 室内模型试验对隧道排水量—水压力关系的验证

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

参加的科研项目和获得的成果及奖励