高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究

摘要

国内铁路路网的完善和发展，需要修建大量深埋长大山岭隧道，在高水压岩溶区修建隧道在国内外都是个技术难题，尤其在当今对环保要求较高的条件下，必须改变以往“以排为主、排堵结合”的治水方案，采取“以堵为主、限量排放”的治水方案，在这种背景下，不可避免地遇到高水压力的问题，研究深埋高地下水位铁路隧道围岩、注浆圈、衬砌背后水荷载的分布规律，高水压力的存在对隧道围岩稳定和结构受力的影响，具有突出的工程实践应用价值。这些问题已成为当前地下工程(特别是深埋山岭隧道)设计、施工、运营中很关键且无法回避的问题，已经引起各国有识之士的极大关注。本文以在建的渝怀线圆梁山深埋特长铁路隧道为工程背景对上述问题进行系统研究。 研究内容与方法：1、在对水工隧道水压力折减系数综合分析的基础上，考虑铁路隧道与水工隧道结构、防排水型式的不同提出了与以上因素有关的水压力作用系数的概念。采用室内三维模型试验方法研究了均质围岩、裂隙围岩中隧道修建过程中水压力分布变化规律，重点分析了衬砌背后和注浆圈外表面水压力及其水压力作用系数与围岩、注浆圈、衬砌的渗透系数、厚度和隧道控制排水量的关系。 2、采用理论分析方法，推导了均质围岩中针对铁路隧道防排水型式下的注浆圈外表面、衬砌背后水压力理论解析公式，并分析了衬砌背后水压力与各量之间的关系。并通过对地下水渗流场数学模型研究，采用等效连续介质模型用数值方法分析了隧道渗流场的分布，对地下水在围岩、注浆圈、衬砌上水压力分布规律及其作用系数进行了分析。 3、以圆梁山隧道地质勘测报告为基础，分析得出了圆梁山隧道的水文地质结构模型、地下水流系统模型、地下水动力模型；特别是对深孔压水和抽水试验成果进行了详细分析，得出了隧道附近围岩的渗透系数和渗透系数张量，为数值分析和三维室内模型试验围岩渗透系数的取值提供了依据；进一步概括得出了圆梁山隧道的地下水流数学模型，并将模型试验、理论计算公式、渗流场等效连续介质数值模拟分析得到的水压力分布规律应用于该工程实际。 4、采用数值分析方法研究了单线铁路隧道标准衬砌断面形式承受水压力的能力，并结合圆梁山隧道工程对5种不同形状断面进行了优化分析。 5、在水压力分布规律研究的基础上，采用数值分析方法分析了水压力在衬砌上均匀分布、不均匀分布、局部突水时隧道围岩稳定性和结构受力特征。 主要研究成果：1、提出了水压力作用系数的概念，并采用室内模型试、理论公式推导、数值分析等方法研究得出了注浆圈外表面、衬砌背后水压力分布规律，确定了作用在衬砌上水压力荷载的大小；得出了水压力作用系数与围岩、注浆圈、衬砌渗透系数、厚度及隧道控制排水量的关系。2、针对圆梁山隧道工程，给出了水压力分布规律模型试验和数值分析结果的工程应用。 3、得出了单线铁路隧道标准衬砌断面形式承受水压力的能力值为0.40MPa，经对断面形状进行优化分析得到承受高水压力的合理断面形式为蛋形断面或圆形断面，当水压力超过1.5MPa时，采用圆形断面为宜。 4、分析了水压力在衬砌上均匀分布、不均匀分布、局部突水时隧道的位移、塑性区、衬砌内力大小和分布特点；运用结构力学上弯矩影响线理论，为突水位置不确定的情况下，提出了采用弯矩包络图确定衬砌结构上最大弯矩的方法。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1问题的提出

1.1.1工程背景及定义

1.1.2学术背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1关于隧道涌水研究

1.2.2关于地下水渗流研究

1.2.3关于深埋隧道衬砌外水压力研究

1.2.4关于深埋隧道渗流场数学模型研究

1.2.5关于隧道渗流场模型试验研究

1.3本文研究内容及研究方法

1.3.1研究内容

1.3.2研究方法

1.3.3研究技术路线

第2章高水压山岭隧道地下水水压力分布规律模型试验研究

2.1模型试验概况

2.1.1模型试验的工程背景

2.1.2模型试验目的

2.1.3工程渗流模型试验的相关理论

2.1.4模型试验设计

2.1.4模型试验设计2.1.4.1模型相似率的推导

2.1.4模型试验设计2.1.4.2模型相似比选择

2.1.4模型试验设计2.1.4.3模型试验装置

2.1.4模型试验设计2.1.4.4模型材料选择

2.1.4模型试验设计2.1.4.5量测技术

2.2试验内容和步骤

2.2.1试验内容和测点布置

2.2.2试验步骤

2.3模拟材料渗透系数试验数据处理与分析

2.4水压力数据处理与分析

2.4.1隧道修建渗流场的变化过程分析

2.4.2衬砌背后水压力与注浆圈厚度关系分析

2.4.3衬砌背后水压力与注浆圈渗透系数关系分析

2.4.4衬砌背后水压力与隧道排水系统关系分析

2.4.5衬砌背后水压力与隧道控制排水量关系分析

2.4.6衬砌背后水压力与围岩边界透水条件关系分析

2.4.7隧道衬砌全封堵时，是否都为静水压力的讨论

2.5本章小结

第3章高水压山岭隧道地下水渗流研究

3.1均质围岩衬砌背后水压力理论计算公式推导

3.1.1基本假定

3.1.2公式推导

3.1.3衬砌背后水压力与各量值之间的关系分析

3.2裂隙岩体地下水渗流数学模型研究

3.2.1单个裂隙地下水渗流规律

3.2.2网络裂隙地下水渗流规律

3.2.3等效连续介质模型

3.2.4双重介质模型

3.2.5网络裂隙介质模型

3.2.6裂隙网络渗流与应力耦合模型

3.3本章小结

第4章工程应用

4.1圆梁山隧道岩体水文地质结构模型研究

4.2岩体地下水流系统模型分析

4.2.1地形地貌及水文气象特征

4.2.2地层岩性

4.2.3地质构造

4.2.4隧道工程区岩溶发育特征及控制因素

4.2.5毛坝向斜区岩溶水及岩溶水补径排系统

4.2.6小结

4.3圆梁山隧道地下水渗流场数值模拟

4.3.1数值分析模型及参数

4.3.2结果分析

4.3.3分析结论

4.4圆梁山隧道衬砌背后水压力及其作用系数试验结果

4.5本章小结

第5章高水压山岭隧道围岩稳定性及结构受力分析

5.1高水压隧道衬砌断面形状优化分析

5.1.1单线铁路隧道标准断面衬砌承受水压力能力分析

5.1.2高水压隧道衬砌断面形状优化分析

5.2地下水荷载作用机理分析

5.2.1概述

5.2.2隧道不注浆衬砌水荷载作用机理分析

5.2.3隧道注浆衬砌水荷载作用机理分析

5.3高水压下隧道围岩稳定性和衬砌结构数值分析

5.3.1计算概况

5.3.2计算模型和计算参数

5.3.3计算结果分析1

5.3.3计算结果分析2

5.3.4计算结论

5.4突水对衬砌结构受力影响数值分析

5.4.1突水对衬砌结构受力影响数值模拟

5.4.2计算结果分析

5.4.3分析结论

5.5本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果