运营期铁路隧道衬砌外水压力折减方法研究

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

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地分担衬砌外水荷载,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地改善隧道渗流场。最后将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的验证。     

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。     

深埋引水隧洞不同排水方案渗流场及衬砌外水压力研究

深埋长引水隧洞排水措施的布置与隧洞渗流场及衬砌外水压力关系密切,是保证围岩及衬砌结构安全的重要举措.结合滇中引水工程大理Ⅱ段深埋长引水隧洞,采用ABAQUS数值模拟的方法对不同排水方案下隧洞渗流场及衬砌外水压力变化规律进行了研究.结果表明,排水措施的布置能有效降低衬砌外水压力,但不同部位降低幅度不同,排水孔附近衬砌外水压力降低幅度较大,距离孔越远水压降低幅度越小;且排水孔数量越多,衬砌全范围内水压力降低越明显.研究结果可为西南深埋长隧洞工程防排水系统设计提供借鉴和参考.     

富水区衬砌-围岩接触关系对外水压力影响研究

结合某大型富水区深埋隧洞工程,基于ABAQUS采用有限元分析法,通过调整过渡层渗透系数模拟围岩与隧洞之间的接触紧密程度,计算衬砌结构的受力特性,并结合规范中的外水压力折减系数法,提出合适的衬砌-围岩折减系数.结果表明:在主要考虑外水压力情况下通过调整过渡层单元的渗透系数来模拟衬砌与围岩的接触关系是合适的,围岩与衬砌的接触关系对于衬砌结构的受力有显著影响;当过渡层渗透系数增大到某一范围时,对衬砌受力影响逐渐变得不再敏感,此时基本处在衬砌与围岩之间有渗水通道的状态.当渗水通道存在时,计算外水压力时可以取折减系数在0.870左右.     

生态敏感区隧道结构安全计算方法研究

为了准确计算衬砌结构稳定性,建立地层结构模型分析复合衬砌注浆后外水压力的分布,将外水压力简化为梯形荷载准确施加在衬砌荷载结构模型中.根据规范进行的结构稳定性验算表明,六盘山隧道注浆堵水后,衬砌结构各位置安全系数K均大于2,满足安全性要求,在保证结构安全的同时达到了控制隧道排水量的作用.     

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。     

岩溶地区引水隧洞排水技术研究

为解决岩溶地区引水隧洞安全稳定问题,采取"堵、排"结合设计原则,在减少衬砌外水压力同时避免地下水位过度降低从而影响隧洞周边水环境.利用解析法推导衬砌排水量和衬砌背后外水压力之间的关系,并采取数值计算的方式计算,得出以下结论:(1)推导出岩溶地区隧洞衬砌背后水压力函数关系式;(2)推导出排水减压阀出水口流速关系式;(3)推导出排水量与衬砌背后水压力之间关系式;(4)不同渗透系数下,隧道施工和运营期地下水位变化规律.     

岩溶隧道排水系统不同堵塞条件下衬砌结构力学特性

岩溶隧道在营运过程中常发生排水系统堵塞的问题，地下水不能及时排出会造成衬砌背后水压力快速增加，直接影响隧道衬砌结构的受力特性，严重情况时会危及隧道的正常营运。为进一步探究岩溶隧道排水系统堵塞时衬砌背后水压力分布规律及衬砌结构的受力情况，依托浙江临建(临安—建德)高速公路项目的岩溶区段隧道，采用FLAC3D软件对岩溶段隧道排水系统在不同堵塞率条件下的衬砌结构力学特性进行分析，同时建立室内渗流模型试验进一步验证数值模拟结果的合理性。研究结果表明：衬砌背后水压力随堵塞率增大而非线性增大，并可分为3个增长区，其中堵塞率为0%～40%时是快速增长区，堵塞率为40%～80%时是平稳区，堵塞率为80%～100%时是骤增区；相对于排水系统正常工作状态，完全堵塞状态条件下衬砌背后水压力最大值增加了162%,故将排水系统堵塞率为40%定为衬砌背后水压力的堵塞率控制阈值；衬砌结构应力增长无明显阶段性分区，整体上衬砌结构应力随堵塞率增大线性变化；完全堵塞状态条件下最小主应力与最大主应力最大值分别增加了149%与83%,排水系统无明显堵塞率阈值；在不同堵塞状态下，普通断面衬砌不同受力特征均呈对称分布，溶洞断面衬...     

某山岭隧道二次衬砌渗水影响因素研究

渗漏水作为隧道中的一种常见病害,由于各自隧道的不同特点,其影响因素也各不相同。以渗漏水情况、隧道施工情况和周边水文地质情况为基础,分析了甘肃某在建隧道进口段二衬发生渗漏水现象,认为该隧道渗漏水发生的原因主要有水文地质因素、施工因素和防排水因素。运用专家调查法和层次分析法对渗漏水影响因素进行主次分析,得出主要影响因素有防排水系统的施工不规范和防排水系统受损,次要影响因素有二次衬砌施工质量不合格、防排水材料不合格和地表水及地下水丰富。通过分析渗漏水影响因素,为该隧道的渗漏水病害治理提供依据。     

岩溶隧道衬砌水压力分布规律研究

长期以来隧道衬砌水压力问题，一直是人们争论的焦点。依托宜万铁路岩溶隧道工程，对不同防排水方式（即全封堵、堵排结合及排放方式）的隧道衬砌水压力分布规律进行研究，研究方法主要采用模型试验及现场测试方法，模型试验的比例尺为1∶16，试验台架可同时施加土压和水压。通过模型试验得出水压力分布规律：全封堵条件下衬砌背后水压力不能折减，注浆圈也不能有效减小水压力；隧道内排水后衬砌背后水压力明显减小，并随着排水量的增加，水压力基本成直线下降；相同排水量时，注浆效果越好，衬砌背后水压力减小越明显；隧道采用全排导方式时，衬砌仍承受一定的水压。由模型试验得出的水压分布规律的部分结论，在现场水压力测试中得到了验证。     

深埋隧道支护结构内力计算方法研究

深埋隧道是交通建设中的关键,对其力学行为进行深入研究具有重要的理论和工程实际意义。针对既有研究的不足,考虑到深埋隧道支护结构力学响应的空间差异性和施工过程围岩-支护结构的动态作用关系,建立了围岩竖向荷载与径向位移关于隧道横截面角度变化的平衡微分方程,获得了围岩压力作用下复合支护结构的内力解析解。根据支护反力与围岩径向位移的关系,推导了初支与围岩、初支与二衬间的围岩压力与位移解析解。结合数值模拟和现场监测结果进行分析,证实了计算方法的可靠性和有效性。最后基于该解析方法,对支护结构厚度和弹性模量进行了参数分析。结果表明:支护结构的厚度和弹性模量与其弯矩正相关,且弹性模量对弯矩影响更大,初支厚度和弹模的变化对围岩压力和径向位移的影响比二衬对其影响更显著。研究成果可为准确预测支护结构任意截面位置的内力提供一定理论支撑。