耦合渗流场的TBM输水隧洞三维有限元分析

摘要

TBM掘进技术凭借其机械化程度高、施工速度快、对外界干扰性小、掘进作业安全等优点成为长距离深埋输水隧洞开挖施工的首要选择。目前TBM隧洞稳定性分析中大多或是不予考虑外水压力，或是采用“水-岩分算”的方法将外水压力简化为面力施加于衬砌结构的边界，并且TBM隧洞工程的分析中多将衬砌简化为均质渗透体，未能考虑到TBM隧洞工程中渗水主要发生在管片接缝等局部区域。此外，大多隧洞工程研究中采用的地质模型都进行了不同程度的简化，多将地质体简化均质体。针对目前研究中的一些不足之处，结合某TBM输水隧洞工程实例，开展了耦合渗流场的TBM输水隧洞三维有限元分析，在总结现有研究成果的基础上，取得了如下研究成果：
　　（1）针对目前大多关于隧洞工程的研究中将隧洞围岩简化成均质体的不足，构建隧洞围岩三维地质模型。从工程地质建模数据结构、地质体建模技术等方面进行地质建模理论的介绍，并在该理论的基础上采用VisualGeo系统，结合工程实例，构建TBM输水隧洞围岩三维地质模型，为TBM输水隧洞围岩渗流场数值模拟和隧洞稳定性分析提供更加符合工程实际的地质模型。
　　（2）结合 TBM输水隧洞的工程特点，实现隧洞管片接缝渗水的渗流场的模拟，并将水荷载以体积力的形式作用在结构分析中。基于隧洞围岩三维地质模型，针对深埋TBM输水隧洞在较大外水压力下容易在衬砌管片接缝处渗水的工程特点，利用自编的脚本文件解决耦合分析模型中渗流场与应力场两套非匹配网格之间的数据传递问题，将考虑渗水发生在管片接缝位置的渗流场中的地下水压力以体积力的形式耦合至TBM输水隧洞的稳定性分析模型中。在三维结构计算结果中，利用应力路径积分方法得到管片衬砌的轴力、弯矩的分布情况。
　　（3）引进基于正交试验设计的敏感性分析方法，分析隧洞围岩参数对于隧洞稳定性评价指标的敏感性大小。将基于正交试验设计的敏感性分析方法引入隧洞渗流应力耦合分析模型，采用三维有限元分析方法计算各个因素不同取值时的隧洞衬砌最大主应力、最小主应力、最大径向位移三个隧洞稳定性的评价指标。利用极差分析方法分析了隧洞稳定性评价指标对6个围岩参数的敏感性，为类似工程的设计提供指导。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 技术路线

第二章 隧洞围岩三维地质建模理论与技术

2.1 工程地质建模混合数据结构

2.2 地质结构体构造技术

2.3 模型的颜色与纹理

2.4 本章小结

第三章 隧洞围岩渗流应力耦合分析理论与方法

3.1 多孔介质流体渗流理论

3.2 有限单元分析模型

3.3 渗流应力耦合分析方法

3.4 基于正交试验的敏感性分析

3.5本章小结

第四章 工程应用

4.1 工程概况

4.2 隧洞围岩三维地质模型

4.3 TBM隧洞渗流应力耦合分析

4.4 围岩参数敏感性分析

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文及科研情况说明

致谢