富水地层隧道外水压力简化计算及其运营监测预警技术研究

摘要

随着我国铁路网向西南山区逐步拓展，线路中隧道工程数量不断增多，所处的地质情况也愈发复杂。相当比例的隧道将不可避免的穿越富水或岩溶地层，隧道在运营中由地下水引起的渗漏水害问题也日益突出。通过运营水害调研可知，短时间降雨、防排水系统故障等因素引发的高外水压力是导致运营隧道渗漏水病害的主要因素。　　然而，目前针对隧道水害的研究还主要集中在施工阶段，例如防排水结构设计、注浆堵水技术等方面，对运营期间的研究仍然较少。主要体现在：既有研究中对于圆形隧道水压力的解析计算已经比较成熟，而对于非圆形隧道水压力的解析计算研究较少，缺少符合工程精度要求又简单易使用的理论方法。另外，高水压隧道运营监测没有统一的控制标准，既有的监测技术也存在诸多弊端。　　基于此，本课题通过理论计算、数值模拟、模型试验等方法，研究运营隧道水害机理，提出隧道在高水压作用的衬砌检算方法，制定隧道仰拱水压力及其隆起量的预警控制标准，并开展运营隧道监测方案优化研究。主要得出以下结论：　　1、通过文献调研，分析并总结了典型的运营隧道水害发育特征。运营隧道水害多发生在暴雨引起的地下水位陡增之后，地下水侵入隧道的防排水薄弱环节，引起底部涌水、仰拱隆起破坏，淹没道床，从而影响隧道通行和行车安全。确定了隧道仰拱是水害多发区域，为进一步的机理分析和定量研究奠定了基础。　　2、基于深埋圆形隧道外水压力轴对称解析解，推导了浅埋非圆形隧道衬砌外水压力的计算公式。针对设置了半包式防排水系统的复合式衬砌，提出了等效渗透系数的概念及确定方法，进行隧道外水压力的快速估算。　　3、通过FLAC3D三维流固耦合数值模拟，研究了均质渗流地层中的半包式防排水隧道，得到了隧道排水能力小于外界补给量时的衬砌外水压力分布规律，以及衬砌达到临界安全状态时的水压力和仰拱隆起值，为高水压运营隧道安全等级划分和控制指标提供理论依据。结果表明：防排水系统正常工作时，仰拱区域外水压力几乎没有降低。仰拱中心为最不利受力位置，需要进行安全预警并制定处理措施。　　4、通过隧道模型试验研究，得到了隧道衬砌外水压分布规律及衬砌结构的破坏特征。试验结果表明富水地层中隧道底部隆起变形最为明显，并在拱顶水头高度为24m时仰拱中心开始开裂。衬砌破坏过程可分为裂缝出现、裂缝扩展、裂缝贯通和压溃破坏四个阶段。高水压隧道运营监测时应重点监控仰拱底部的水压力及仰拱隆起值。模型试验与理论计算和数值模拟的整体趋势一致，但局部水压力值受到试验条件的限制并不理想，不适用于制定标准。　　5.参考现行规范对隧道底部变形及轨道不平顺的规定，基于数值计算结果，制定了由仰拱中心水压力和隆起位移组成的双参数预警控制标准，并设定了相应的安全等级及处理措施(I正常运营，II限速慢行临时补修，III封闭整治)。结合隧道运营维护要求，针对目前监测元件寿命短、自动化程度低的缺点，架构了一套水压及衬砌位移光纤监测方案，该方案具有可维护性强，自动化程度高，分布式测量等优点，以确保隧道的运营安全。

目录

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第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1运营隧道水害统计

1.2.2隧道衬砌外水压力研究

1.2.3隧道运营监测预警系统研究

1.3 本文研究内容及方法

1.3.2研究内容

1.3.3研究技术路线

第2章隧道外水压力解析计算

2.1 圆形隧道外水压力解析解

2.2 非圆形隧道外水压力解析解

2.3 基于等效渗透系数的复合式衬砌外水压力简化计算

2.3.2等渗系数的确定方法

2.4 本章小结

第3章 隧道外水压力数值模拟研究

3.1 计算模型及参数

3.2 模拟步骤

3.2.1流固耦合方式的选取

3.2.2计算流程的设置

3.3 外水压分布规律

3.4 隧道衬砌变形及安全系数

3.5 等渗系数的求解

3.6 本章小结

第4章隧道外水压力及变形破坏模型试验

4.1 试验平台的构建

4.2 相似模型的确定

4.2.1相似关系

4.2.2模型参数

4.3 试验工况和监测内容

4.3.2试验步骤

4.4 试验数据分析

4.5 本章小结

第5章隧道运营监测方案及预警控制标准

5.1 现行规范对隧道底部变形及轨道不平顺的规定

5.2 隧道外水压力和仰拱位移控制阈值及预警等级划分

5.3 新型隧道运营监测布置方案研究

5.3.2光纤监测系统的组成

5.3.3分布式光纤特点与优势

5.3.5光纤水压监测方案

5.4 本章小结

第6章结论与展望

主要结论

不足及展望

参考文献

致谢

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攻读硕士学位期间学术成果

发表的论文

参与的科研项目

个人获奖情况