运营期铁路隧道衬砌外水压力折减方法

针对处于运营期的富水山体隧道复合衬砌外水压力问题,从实际工程排水系统入手,根据流体力学原理,建立隧道排水系统排水模型。发现隧道排水量与二衬外水压力呈非线性关系,进而推导得到复合衬砌外水压力的解析解;并将之与具有等效渗透系数的二衬透水线性排水模型解析解对比。结果发现线性排水模型计算得到的二衬外水压力折减系数偏小。然后在解析解的基础上,分析初支参数、注浆圈参数、排水系统参数对二衬外水压力折减系数的影响。研究可为隧道以及隧道排水系统设计提供一定参考。     

隧道过海段水压力及渗流量计算方法

为了研究三心圆隧道复合衬砌的渗流量及不同部位水压力大小,分别利用等效面积法和等效周长法求出不同注浆圈厚度、不同注浆圈渗透系数、不同初期支护渗透系数下三心圆隧道的渗流量及不同部位水压力折减系数的解析解;并与相同条件下不同工况的数值模拟值进行对比。结果表明:计算隧道渗流量时,等效面积法得到的解与数值模拟值最大相差0. 3%;等效周长法得到的解与数值模拟值相差1. 5%。计算初期支护外水压力折减系数时,等效面积法得到的解与数值模拟值最大相差4. 8%;等效周长法得到的解与数值模拟值相差4. 6%。计算二次衬砌外水压力折减系数时,等效面积法得到的解与数值模拟值最大相差7. 6%;等效周长法得到的解与数值模拟值相差7. 8%。     

不同防排水条件下深埋隧洞衬砌外水压力研究

深埋隧洞的高外水压力问题影响隧洞开挖过程围岩稳定及衬砌结构安全.结合某调水干渠深埋引水隧洞,建立稳定渗流计算模型,考虑隧洞不同防排水条件和岩层分布,模拟计算隧洞衬砌外水压力及其折减系数取值方法.研究表明,采用排水孔和固结灌浆联合防渗加固措施可减小深埋隧洞洞室衬砌所受外水压力;而上覆地层存在隔水层较均质岩层隧洞衬砌外水压力有所降低;地勘规范估算所取的折减系数过于保守,隧洞衬砌处外水压力水头与地下水位的比值作为衬砌外水压力折减系数更为合理.     

考虑注浆圈与复合衬砌时体外排水方式设计

基于反映法、叠加原理及渗流力学理论构建了是否含注浆圈的两种体外排水简化计算模型,推导了隧道与体外排水洞涌水量的计算公式、隧道二次衬砌外水压力表达式,通过解析退化验证了理论模型及解析公式的正确性与适用性,根据推导公式进行了参数敏感性分析,最后通过数值模拟进一步进行了检验.结果 表明:体外排水洞与隧道涌水量均随注浆圈渗透系数的下降而非线性降低,隧道二次衬砌外水压力随注浆圈渗透系数的下降而非线性增大,但其临界值小于常规排水方式;增加初期支护的厚度可达到降低二次衬砌外水压力及隧道涌水量的目的;围岩与注浆圈、注浆圈与初期支护渗透系数合理比值分别为15与100,同时须严格控制二次衬砌渗透系数;排水洞洞径对体外排水洞涌水量影响显著,为保护地下水资源,体外排水洞洞径推荐为0.2 m.     

考虑外水压力的衬砌与围岩受力分析的解析法

针对我国现行水工隧洞设计规范中将外水压力视为面力通过折减系数进行简化计算与实际不符的情况,推导将外水压力视为体力,考虑地下水作用的衬砌与围岩应力位移解析解.分析隧洞渗透水压力在施工期的分布规律,并利用有限环变形协调法、计入渗透力的平衡微分方程,推导衬砌与围岩的应力、位移弹性解析解.最后以某一工程算例进行分析,研究结果表明,岩体混凝土渗透系数比值对于衬砌和围岩的应力位移有较大影响,将外水压力视为体力进行计算能节省工程材料,更符合工程实际.本文为衬砌与围岩应力位移解析解提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值.     

富水隧道衬砌结构受力特性与合理参数分析

随着控制排放的隧道防排水技术的广泛应用,抗水压衬砌结构的设计问题愈发突出。本文以峨汉高速豹狸岗隧道工程为依托,基于对现场实测数据的分析,结合数值模拟,研究了富水隧道二次衬砌结构的受力特性,拟合出衬砌结构及仰拱的水压力计算公式,确定了高水压下二次衬砌结构的合理设计参数。研究成果表明：①试验断面水压力呈典型的“灯泡型”分布;②基于实测数据拟合,获得二衬水压折减系数为0.31,仰拱水压折减系数为0.86;③考虑围岩荷载和水荷载共同作用时,二衬结构墙脚部位承受最大的轴力和弯矩,为结构最不利位置;④当水头高度≥50 m时,墙脚部位的安全系数小于2.0,说明原设计结构不能承受50 m及以上水头高度的水压。     

计算隧道排水量及衬砌外水压力的一种简化方法

针对山区高水位隧道建立了研究隧道排水量及衬砌外水压力的简化模型,经过理论推导得出隧道排水量以及衬砌、注浆加固圈外水压力的解析公式,并将其应用于圆梁山隧道涌水量预测及排水量与衬砌水压关系研究.研究结果表明,随着隧道排水量的增加,衬砌水压减小,只有在考虑衬砌的排水性能即采取排水措施时才能发挥注浆加固圈对渗透水压的衰减作用,所得结论对于山区高水位隧道设计具有一定指导作用.     

山岭隧道衬砌外水压力公式解析研究

隧道衬砌外水压力问题,一直是人们关注的焦点。本文以甘肃木寨岭隧道为工程实例,考虑地下水渗流流速对于衬砌外水压力的影响,运用线性渗流定律及地下水动力学理论,推导出隧道衬砌外水压力及隧道毛洞涌水量的理论计算公式,并与其他经典、经验公式进行了对比验证分析。通过对推导公式的解析,得出了影响隧道衬砌外水压力大小的各因素主次关系,依次是：衬砌渗透系数>注浆圈渗透系数 >注浆圈厚度>渗流流速,其研究成果可对隧道设计施工和安全管理提供理论指导。     

隧洞外水压力物理模型试验研究

深埋隧洞高外水压力问题严重影响着隧洞开挖过程围岩稳定及衬砌结构安全,合适的确定方法对保证工程稳定运营显得至关重要.依托"引大济湟"调水总干渠深埋引水隧洞工程,进行了相似物理模型试验,研究了不同岩层结构和排水条件下外水压力大小及围岩渗流场分布规律的变化.对比分析了物理模型试验值、地勘规范估算值及经验取值区间三者之间的差异.结果表明,排水孔的设置会引起围岩地下水位的下降,隔水层可减轻地下水位下渗对隧洞的影响,同时外水压力折减系数物理模型结果βt基本满足经验折减系数区间,可为衬砌外水压力提供可靠的依据.     

基于等效面积法的隧道渗流场解析解应用研究

为研究四心圆隧道衬砌荷载和渗流量,基于等效面积法将四心圆隧道等效为圆形隧道,运用水下隧道渗流场解析解分别求得在不同的衬砌渗透系数、衬砌厚度和埋深情况下隧道衬砌外水头、注浆圈外水头和渗流量,并与相同工况下的数值解进行对比,分析解析解的应用效果;运用该方法分析了衬砌相对渗透系数和注浆圈相对渗透系数对隧道渗流场的影响,研究结果表明：解析解和数值解最大误差在5.2%以内,证明了解析解的适用性;当衬砌抗渗性能较好时,降低注浆圈渗透系数能够有效的分担衬砌外水荷载,有利于隧道安全;衬砌对隧道渗流量影响最为显著,实际工程施工中应在较好的注浆水平上,通过控制衬砌渗透性来有效的改善隧道渗流场。最后将本文提出的方法用于工程实例中,解析解的应用效果和基于解析解的渗流参数敏感性分析所得结论的可靠性得到了较好地验证。     

复合衬砌量化修正渗透系数隧道涌水量的计算方法

为了使用轴对称解计算设置防水板和排导系统的复合式衬砌的隧道涌水量,假定隧道二次衬砌均匀渗水,从隧道涌水量不变的角度,通过反演分析得到复合衬砌的一个量化修正渗透系数K^*_l.通过六盘山特长隧道实际工程验证了这种方法的可行性及准确性,为复合衬砌涌水量计算提供了有利条件.     

山岭隧道地下水渗流及加固参数的解析研究

为研究山岭隧道渗流压力、渗流量以及加固参数对渗流的影响,假定圆形隧道周围存在各向同性的径向稳定渗流场,推导了地下水渗透压力分布规律及渗流量公式.实例分析表明,渗透压力的分布具有非线性特征,在排水情况下设置围岩加固圈和初期支护可明显减少作用在衬砌上的渗透压力及地下水排放量.运用文中公式计算的毛洞渗流量比较接近相关资料提供的实际涌水量,说明文中方法对预测类似隧道涌水量具有一定的参考价值.另外,由加固参数与水压力及渗流量的相关性分析可知,随着加固圈渗透系数的减小及厚度的增加,二次衬砌上的渗流压力和渗流量一开始急剧减小,当加固参数达到一定界限值时,地下水渗流压力及渗流量基本保持不变.     

富水区隧道排水网络体系卸压能力研究

为研究富水区隧道排水网络体系对地下水的卸压能力,以豹狸岗隧道为研究背景,基于Flac3D软件进行三维差分建模,探讨水头高度与环向盲管间距对地下水渗流场的影响。结果表明：(1)环向排水盲管可显著削减二次衬砌上部背后水压,但对仰拱处水压力的削减作用可忽略不计;(2)提出了平均减压系数概念,盲管间距对二次衬砌上部平均减压系数影响显著,但对仰拱处平均减压系数基本无影响;(3)保持盲管间距不变时,平均减压系数基本不受水头高度影响。分析二次衬砌平均减压系数与盲管间距关系,揭示不同盲管间距对排水网络体系的卸压效果,确定最优环向盲管间距为5 m。     

深埋圆形隧洞饱和土-衬砌简谐振动的解析解

在频率域研究深埋圆形隧洞饱和粘弹性土体-衬砌系统耦合简谐振动的动力学特性.根据弹性理论和饱和多孔介质理论,分别得到衬砌和饱和粘弹性土体的稳态动力响应;通过衬砌边界条件以及衬砌与饱和土界面的连续性条件,得到衬砌边界均布简谐载荷作用下饱和土-衬砌系统稳态振动时的位移、应力和孔隙水压力等的解析表达式.考察物理和几何参数对系统动力学特性的影响.研究结果表明：孔隙水的渗透性对系统动力特性影响显著,不透水情形下系统响应远大于透水情形下的响应,且不透水情形下,衬砌厚度对系统响应具有显著影响.然而,土骨架与孔隙水相互作用系数和土体泊松比等对系统响应影响很弱.     

考虑复合衬砌层间接触效应的衬砌结构力学特征

为了研究防水板对复合式衬砌结构力学特征的影响机制,以实际工程为依托,采用FLAC^3D有限差分软件内置的Interface接触面单元模拟防水板引起的层间接触效应,建立数值仿真模型并与荷载结构模型进行对比,分析了二衬在不同排水率下的内力及形变特征,并探究了二衬各设计因素对其安全性的影响规律。结果表明：在初支与二衬间设置接触面单元来模拟防水板引起层间接触作用的地层结构模型可靠性较高;防水板的存在导致初支与二衬无法协同受力,复合衬砌层间出现应力突变现象,二衬具有挤压或脱离初支的形变特征,且受挤压部位的层间界面将产生错动滑移;依托隧道断面最小安全排水率为0.66,隧道排水率低于0.8时衬砌最不利截面均位于拱脚附近;相比于增大二衬厚度或混凝土强度等级,优化衬砌结构断面形状更能提高其水压承载能力,且优化衬砌断面形状后的二衬通过增大厚度或混凝土强度来提高其水压承载能力的效果高于优化前。     

基于EPANET的桐梓隧道反坡排水设计和分析

为提高桐梓隧道反坡排水系统管道水力计算精度,确定排水管道流速和节点水压力分布及水头损失,模拟不同类型水泵组合和排水方式,基于EPANET建立桐梓隧道反坡排水模型,通过控制管道流速和末端水压力,实现对整个排水系统的设备选型和动态模拟.结果表明:与常规计算方法相比,EPANET隧道反坡排水模型在水力计算时考虑了实际高程及局部水头损失,总水头损失计算准确度提高50％以上,设计流速与实际流速一致,并能得出管网系统动水压力分布.可见EPANET可以对不同水泵组合模拟抽水分析,为隧道反坡排水设备选型和水力计算提供参考.