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.     

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.     

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.     

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.     

某抽水蓄能电站尾水管三维有限元分析

结合某抽水蓄能电站工程实际情况,建立地下厂房三维有限元整体模型,将尾水管衬砌混凝土结构与围岩视为联合结构共同承担上部机电设备下传荷载和尾水管内外水压力等荷载作用,并考虑衬砌混凝土结构与围岩材料性质的差别,研究尾水管衬砌混凝土结构的受力变形特征,分析尾水管在三维受力状态下典型部位的主拉应力及主压应力,对应力状态作出评价,并计算典型截面配筋面积.     

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。     

大型地下钢筋混凝土岔管的工作性态研究

结合天荒坪抽水蓄能电站的工程实际,利用三维线性及非线性有限元法研究了大型地下钢筋混凝土岔管的工作性态,分析了在内水压力及外水压力等不同荷载作用下,岔管衬砌的工作特性和围岩的应力分布规律．所得结论为大型地下钢筋混凝土岔管的设计提供了参考．     

地下钢筋混凝土岔管围岩稳定及结构数值分析

以国内某抽水蓄能电站的钢筋混凝土岔管工程为例,从围岩开挖支护、围岩与衬砌相互作用和钢筋混凝土结构等方提出了围岩、混凝土等材料的数值模拟方法,通过三维有限元线性和非线性计算,分析研究了地下钢筋混凝土岔管在施工、运行等工况下,围岩、衬砌结构的应力与变形,以及混凝土岔管结构配筋和配筋后应力、裂缝开展等问题.结果表明：在开挖阶段由于地应力释放在主、岔洞交叉处会产生拉应力,塑性区开展较深;正常运行工况在内水压力作用下岔管结构大部分区域存在拉应力,裂缝较大;检修工况在外水压力作用下仅在主、岔管交叉处存在拉应力区,裂缝较小;结构配筋时,轴向配筋应该由外水作用的工况来控制,环向配筋由内水作用为主的工况来控制.     

防排水系统对复合式衬砌渗透特性的影响及表征方法

采用修正的初衬渗透系数表征复合式衬砌的渗透特性.建立了复合式衬砌渗流模型,推导了复合式衬砌的渗透系数计算公式,并分别采用模型退化方法和数值法对提出的公式进行了验证.结果表明:当围岩渗透系数为1×10-7～1×10-6 m·s-1时,考虑环向排水管、土工布和防水板的复合式衬砌渗透系数对涌水量和外水压力的影响不容忽视;复合...     

基于Interface改进算法的水工隧洞衬砌受力分析

针对水工隧洞不同外荷载工况下衬砌与围岩的接触特性,考虑衬砌与围岩之间有无初始缝隙,基于FLAC3D提出Interface改进模型,分别用厚壁圆筒弹性和弹塑性解析解验证算法的正确性,并应用到某水工隧洞衬砌结构计算中.结果表明:改进后的Interface接触面模拟结果与解析解非常接近;施工期自重工况、运行期内水工况和检修期外水工况衬砌结构受力各不相同,围岩与衬砌可能产生接触或脱离,内水工况下结构处于欠安全或带裂缝工作状态.该模型反映了衬砌结构在不同外荷载作用下与围岩有条件联合承载的各种受力机制.     

黏滑错动下地铁隧道结构破坏特征及设防措施

在活断层发育城市的地铁建设过程中,由于线路走向原因,有时不得不穿越活动断层。但目前对于地铁隧道穿越活动断层的设防措施研究较少,尚无成熟的工程经验。文中以新疆乌鲁木齐地铁穿越西山断层工程建设为依托,采用三维数值模拟和室内试验相结合的方法,研究了黏滑错动下地铁隧道结构力学响应及破坏过程,揭示了隧道围岩和衬砌结构的破坏形态与塑性区分布规律。结合工程设计,提出采用隧道衬砌分段和扩大断面尺寸等工程应对措施,可极大减小黏滑错动下的地铁破坏范围和程度,降低工程损失,也能为破坏后的地铁隧道结构修复提供便利条件。研究结论可为穿越活断层的城市地铁隧道结构设防设计提供有益参考。     

盾构地铁管片设计的修正模型及其应用

管片和围岩变形一直是地铁设计和施工中待解决的难点之一,通常所采用的惯用法模型中,管片的计算主要考虑土层抗力和接头对结构的主要影响.在对现有模型中管片接头计算方法的研究基础上,本文得到了改进后的惯用法模型,推导了修正惯用法模型的位移求解公式,用地层结构法建立了围岩和衬砌的有限元模型.并结合哈尔滨地铁一号线工程实例资料,用修正惯用法模型求解衬砌的位移解析解,又用地层结构法中现用的惯用模型公式分别对围岩变形和衬砌进行了数值解计算,并进行比较.经研究表明,修正后的模型和推导的公式是可靠的,该项研究成果对管片设计具有一定的理论意义.     

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。     

有压隧洞的混凝土衬砌结构设计

四川省某市由于筑坝穿城江水蓄水发电,临江一处排污主涵洞按照有压隧洞设计,设计内水压力按10m水头压力,外水压力也按50年一遇洪水位298.44m考虑,隧洞围岩等级为V级,衬砌型式采用C25钢筋混凝土整体式衬砌,衬砌设计按照最大裂缝限制,顶拱采取回填灌浆,抗震设防烈度取为6度。     

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。     

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.     

深埋隧洞围岩分类方法--JPHC分类

现有围岩分类方法只适用于中低地应力、低外水压力条件,在高地应力、高外水压力条件下的适用性差.某深埋隧洞地应力高达20～40 MPa、局部外水压力高达1～10 MPa,具有高地应力、高外水压力的特点.以该深埋隧洞为例,对<水利水电工程地质勘察规范>中的围岩分类方法(HC分类)进行了改进.通过HC分类与Q系统在该隧洞分类结果的相关性、一致性分析,引入地应力修正系数、岩爆烈度、水力劈裂的临界水头压力等,建立了高地应力、高外水压力条件下的围岩分类方法--JPHC分类.该方法在某深埋隧洞围岩分类中适用性好,并可推广使用.     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。     

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.