富水区隧道结构体系水压力及渗流场计算边界研究

发布时间：2017-10-09 05:09

  本文关键词：富水区隧道结构体系水压力及渗流场计算边界研究

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【摘要】：在隧道工程中,渗流量与水压力互为原因。隧道施工期及运营期会受到渗流场水压力的不利影响,由此造成隧道病害。研究富水区隧道结构体系水压力规律及渗流场计算边界,首先理解隧道渗流场相关理论及隧道渗水控制措施,其次根据之前的理论将一般轴对称解析解及等效轴对称解析解推广至马蹄形隧道断面并推导更加适用于复合型衬砌的分别考虑初支与二衬轴对称解析解,再研究水头高度是断面高度10倍左右情况的渗流场计算边界范围,由上述对理论公式、渗水控制措施及计算边界的探究,进行富水区隧道结构体系水压力规律研究,最后总结富水区在不同渗水控制措施下的水压力规律、对比分析三种轴对称解析解、提出计算初支与二衬水压力分配比例与水荷载正反算在工程中的应用。本文依托新建成昆铁路米易至攀枝花段冉家湾隧道项目,按上述步骤研究富水区隧道结构体系水压力及渗流场边界范围,主要研究内容与结论：(1)各向均质同性围岩隧道渗流场理论计算可采用轴对称解析解与保角映射理论,根据假设方法不同,得到三种轴对称解析解并将其推广应用于马蹄形隧道断面。(2)全排水衬砌下,根据单层衬砌假设得到的一般轴对称解析解与等效轴对称解析解,推导出更适用于复合型衬砌的分别考虑初支与二衬的轴对称解析解。分析三个轴对称解析解,得到影响水压力与渗流量的相关因素,其中包括衬砌厚度及其渗透系数、注浆圈厚度及其渗透系数、围岩渗透系数与地下水位置。(3)通过计算不同计算边界的仰拱处第一主应力、墙脚处水压力、拱顶与仰拱位移及墙脚处沿线围岩水压力,对比力学特性,得到透水边界情况下的建议计算边界范围为隧道宽度3-4.5倍,不透水边界情况下的建议计算边界范围为隧道宽度3-3.5倍。(4)通过数值模拟全排水与全封堵衬砌情况下的水压力,研究富水区隧道结构体系不同渗水控制措施的水压力与渗流量变化。研究表明,全封堵衬砌时,改变初支渗透系数、二衬与注浆圈厚度,对隧道结构体系水压力基本无影响；全排水衬砌下,衬砌渗透系数减小,二衬与注浆圈厚度增大,均会导致隧道衬砌背后水压力增大,渗流量减小。此时三种理论解与数值解规律相同,且一般轴对称解析解与分别考虑初支与二衬轴对称解析解的渗流量误差为15%左右,水压力误差为10%左右,等效轴对称解析解渗流量误差为5%左右,水压力误差为8%左右。(5)将分别考虑初支与二衬轴对称解析解推广至工程应用,利用该公式得到初支与二衬水压力比例,并通过数值模拟予以验证；另外引入水荷载折减系数对水荷载进行正反算,以便在施工过程中及时调整设计水荷载。
【关键词】：隧道 轴对称解析解 富水区 水压力 渗流场计算边界
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 概述12-14
• 1.1.1 我国铁路与公路隧道建设现状12-13
• 1.1.2 研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-15
• 1.3 研究内容及技术路线15-18
• 1.3.1 主要研究内容15-16
• 1.3.2 主要研究方法16
• 1.3.3 研究技术路线16-18
• 第2章 隧道渗水与水压力研究及渗水控制措施18-26
• 2.1 引言18
• 2.2 隧道渗水与水压力理论研究18-22
• 2.2.1 水下隧道渗水模型研究18-20
• 2.2.2 非均质各向异性渗透的形成及渗透张量20
• 2.2.3 隧道渗流场分布的理论推导20-21
• 2.2.4 基于稳定流理论分析水压力与涌水量的解析解21-22
• 2.3 隧道渗水控制措施22-24
• 2.3.1 隧道二次衬砌防渗混凝土22
• 2.3.2 地表水下渗防治22-23
• 2.3.3 排水方法23-24
• 2.4 本章小结24-26
• 第3章 围岩力学参数与三种轴对称解析解研究26-41
• 3.1 引言26
• 3.2 工程地质与水文地质概况26-27
• 3.2.1 工程地质概况26-27
• 3.2.2 水文地质概况27
• 3.3 围岩室内实验27-29
• 3.3.1 围岩物理性质27-29
• 3.3.2 围岩力学参数29
• 3.4 轴对称解析解计算公式推导29-33
• 3.4.1 基本假设29-30
• 3.4.2 公式推导结果30-33
• 3.5 等效轴对称解析解计算公式推导33-34
• 3.6 分别考虑初支与二衬情况的轴对称解析解计算公式推导34-40
• 3.6.1 基本假设35
• 3.6.2 公式推导35-40
• 3.7 本章小结40-41
• 第4章 隧道渗流场围岩计算边界研究41-61
• 4.1 引言41
• 4.2 软件选取与模型建立41-43
• 4.2.1 数值模拟软件选取41
• 4.2.2 模型建立41-43
• 4.3 透水边界模型计算边界研究43-51
• 4.3.1 仰拱处第一主应力分析43-44
• 4.3.2 墙脚处水压力分析44-46
• 4.3.3 拱顶与仰拱处位移分析46-50
• 4.3.4 墙脚处沿线围岩水压力分析50-51
• 4.4 不透水边界模型计算边界研究51-59
• 4.4.1 仰拱处第一主应力分析51-53
• 4.4.2 墙脚处水压力分析53-55
• 4.4.3 拱顶与仰拱处位移分析55-58
• 4.4.4 墙脚处沿线围岩水压力分析58-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第5章 富水区隧道结构体系水压力规律研究61-100
• 5.1 引言61
• 5.2 软件选取与模型建立61-64
• 5.2.1 数值模拟软件选取61
• 5.2.2 模型建立61-64
• 5.3 隧道衬砌结构渗水规律研究64-73
• 5.3.1 不同工况隧道衬砌结构渗流量定性分析64-70
• 5.3.2 不同工况隧道衬砌结构墙脚渗流量定量分析70-73
• 5.4 隧道结构体系水压力数值解规律研究73-85
• 5.4.1 全封堵衬砌下隧道结构体系水压力分析73-77
• 5.4.2 全排水衬砌下隧道结构体系水压力定性分析77-81
• 5.4.3 全排水衬砌下隧道结构体系水压力定量分析81-85
• 5.5 全排水衬砌下隧道衬砌及注浆圈水压力理论解规律研究85-98
• 5.5.1 初支背面墙脚处水压力规律研究85-88
• 5.5.2 墙脚处注浆圈背面水压力规律研究88-89
• 5.5.3 初支与二衬墙脚处水压力比例规律研究及应用89-94
• 5.5.4 初支背面水荷载折减系数及水荷载正反算应用94-98
• 5.6 本章小结98-100
• 结论与展望100-102
• 结论100-101
• 研究展望101-102
• 致谢102-104
• 参考文献104-107
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目及发表的学术论文107

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本文编号：998302