山岭隧道水压力分布对围岩稳定性及结构受力影响研究

采用平面有限元数值模型分析透水衬砌、排水系统和墙脚排水3种排水形式下,无水压、衬砌水压力在均布和非均布时蛋形断面和圆形断面山岭隧道围岩的稳定性及结构受力特征。研究了衬砌水压力不同分布对隧道位移、塑性区和结构受力的影响规律,并对衬砌水压均布与非均布的结果进行了对比分析。分析结果表明:水压力的存在使隧道位移、塑性区范围和塑性应变最大值显著增加,对围岩的稳定性不利,特别是对结构受力的影响更加显著。水压力较大时,从围岩稳定性和结构受力来讲采用圆形断面优于蛋形断面。水压力不均匀分布时对围岩稳定性和结构受力均产生不利影响。     

圆梁山隧道溶洞地段抗水压衬砌结构试验分析

对圆梁山隧道溶洞地段4.5 MPa抗水压衬砌所承受的水压力及其结构应力进行现场试验,分析隧道衬砌使用型钢混凝土组合结构在高水压作用下的受力特征。衬砌壁后水压力大小是引起衬砌结构应力发展变化的显著因素,衬砌壁后水压力的分布及其变化与地表降雨补给量和泄水洞排水状况密切关联。当衬砌壁后水压力上升时,钢筋应力比混凝土应力的增长速率大,衬砌结构内缘应力比其外缘应力的增长速率大,且在衬砌壁后水压力增量较大时,结构钢筋和混凝土的应力增长速率相对较小。这表明随壁后水压力的增大,抗水压衬砌结构内型钢发挥的承载作用更明显。     

基于有限单元法的隧道抗水压衬砌结构设计

研究目的：客运专线铁路隧道结构设计中往往会碰到水荷载作用计算难题，考虑抗水压衬砌结构设计仍然是隧道设计与研究热点之一。为检验隧道衬砌结构设计的安全性及防水性，有必要对抗水压衬砌设计结构进行内力计算。研究方法：针对金沙洲隧道特定地质条件和工程设计要求，采用基于有限单元法的荷载结构模型，对按围岩类别设计的3种隧道断面衬砌结构受力进行数值模拟。研究结果：研究得到了衬砌外水压力以及结构内力及分布特征，并验算了衬砌结构的安全系数。通过对计算结果分析验证，选出了各自围岩级别下合适的衬砌结构。研究结论：在全断面封闭排水的衬砌结构设计中，应着重考虑发挥混凝土的抗压性能；在富水区地下水头较大时。采用帷幕注浆法改善堵水圈的渗透系数，可有效降低衬砌的外水压力；选择仰拱外轮廓隅角半径、仰拱与曲边墙的连接处的半径以及仰拱厚度作为控制变量，可以改善衬砌结构受力特征。     

隧道衬砌水压力荷载及内力研究

通过轴对称解析计算和有限元数值计算隧道在不同衬砌渗透系数、不同注浆圈厚度、不同衬砌厚度条件下,衬砌背后的水压力、流量及衬砌内力,分析影响水压力的因素和水压力对衬砌内力的影响,轴对称解析计算和有限元数值计算结果显示水压力和流量十分接近。衬砌不透水时,水压力荷载系数不折减;在控制排水的条件下,调整衬砌渗透系数、注浆半径和衬砌厚度可以改变水压力、流量和衬砌内力。设计时正算水荷载,施工时通过监测流量反算水荷载,对水荷载设计进行检验和修正。     

深埋岩溶隧道水压力的预测与防治

研究目的:为保护洞顶水资源和环境,深埋岩溶隧道“以排为主”的设计原则巳不适应环保要求,开始尝试 “以堵为主”的防排水原则。封堵地下水会使隧道衬砌承受巨大水压灯,“以堵为主”的关键问题是预测和防治隧 道水压力。 研究方法:隧道水压力受地下水水头损失和地下水与衬砌接触面积的双重影响,据此在调整岩溶隧道水头 折减系数的基础上,分析隧道水压力模式。 研究结果:给出了用渗流水量确定隧道水压力的公式,继而讨论了基于水环境平衡的适度排水和围岩注浆 的防治原则,并给出了注浆圈和其内衬砌的水压力的计算公式。 研究结论:引用锦屏二级水电站探洞和渝怀铁路圆梁山隧道的实测资料对上述水压力公式进行检验,其计 算的隧道水压力较符合实际。     

基于等效周长法研究隧道衬砌水压力荷载及内力

为研究方形隧道断面衬砌水压力及内力,利用等效周长替代法,将方形隧道断面转变成圆形隧道断面,并运用轴对称解析法与有限差分FLAC3D分别计算在不同衬砌渗透系数、不同注浆半径和不同衬砌厚度情况下,隧道衬砌水压力、渗透量、内力、偏心距以及安全系数。结果表明:轴对称解析法的渗透量和水压力与有限差分数值计算法的很接近;在不透水情况下,水压力不进行折减;通过控制排水、减小衬砌渗透系数、适当增大围岩注浆或适当增大衬砌厚度可以调节衬砌水压力、偏心距与安全系数;衬砌厚度对边角处安全系数影响大;以设计水荷载为正算,施工监测水压力为反算,在施工过程中,检验并修正水荷载。     

隧道衬砌水压力计算与控制方法探讨

研究目的:在长期运营过程中,因各种原因,隧道排水系统会逐步堵塞,二次衬砌也会逐步承受水压力作用。现有衬砌水压力的计算方法是基于横断面二维模型得出的,有必要基于防排水系统的空间效应,研究衬砌水压力的纵向分布特征及最大水压力控制方法。研究结论:(1)按现有横断面二维模型计算得到的结构水压力,考虑防排水系统的空间效应后会形成水压力重分布;(2)堵塞段二次衬砌最大水压力大致与地下水"余量"及堵塞段长度的平方成正比,与排水层的总面积及其渗透系数的乘积成反比;(3)建议二次衬砌水压力荷载取值:对于山岭隧道,当排水量小或维护作业难度小时可以不考虑水压力,否则宜控制在0.05~0.15 MPa以内;对于水下隧道,公路隧道宜控制在0.2~0.3 MPa以内,铁路隧道或地铁隧道宜控制在0.4~0.6 MPa以内;(4)在隧道内每间隔一定距离设置"泄压环"可以有效控制结构的最大水压力;(5)本研究结果可为隧道衬砌最大水压力取值与控制提供思路和方法。     

富水岩溶隧道隧底排水适应性研究与应用

以武九客运专线（武汉—九江）石马寨富水岩溶隧道为工程依托，通过数值模拟分析了仰拱下设置中心排水沟、仰拱填充层内设置中心排水沟两种排水方式下地下水渗流场、衬砌水压力分布规律和隧道结构受力特征。结果表明：仰拱下设置中心排水沟时因排水沟与排水孔共同排水，可明显减小隧底围岩孔隙水压力，仰拱承担的水压力较小，在高压富水条件下可有效降低仰拱隆起、翻浆冒泥等风险；与仰拱填充层内设置中心排水沟相比，仰拱下设置中心排水沟时仰拱中心处弯矩显著减小，边墙、仰拱部位安全系数明显增大，仰拱填充层与仰拱协同受力，隧底结构整体性增强。现场应用结果表明，仰拱下设置中心排水沟虽工序稍复杂，但防排水效果好，可在富水岩溶隧道中推广应用。     

岩溶隧道水压力的研究与确定

研究目的:通过对渝怀线、宜万线重点岩溶隧道水压力实测,研究岩溶隧道初始水压力值的影响因素、计算公式;通过对水压力长时间监测,研究水压力降雨响应;通过监测水压力值,绘制水压力曲线,并分析曲线特征,对岩溶隧道的堵水治理提供参考;对注浆后水压力分析,提出注浆后二次衬砌水压力设防建议. 研究结论:岩溶隧道水压力与上、下排泄基准面高程和排泄能力有关,不能采用折减系数法确定.水压力对降雨有强烈响应.放水后升压试验能反映岩溶几何形态.衬砌结构设防应根据地质条件、原始水压力值和注浆效果确定.     

水底隧道复合式衬砌水压力影响因素分析

富水量较大的水底隧道,隧道防排水系统对于控制隧道涌水量和衬砌外水压力十分重要。采用数值计算方法,研究固定水头下水底隧道不同注浆参数、衬砌渗透系数及隧道控制排水量对衬砌水荷载的影响,并与轴对称解析解结果进行对比验证。研究结论:(1)渗透系数增加和注浆圈厚度减小都致使衬砌外水压力的增加;(2)初衬渗透性的变化对初衬外水压力的影响十分显著;(3)数值解与解析解的结果相差不大,非圆形隧道截面可利用等效半径求解衬砌外水压力和隧道涌水量的解析解,并用于隧道防排水的初步设计;(4)隧道注浆圈参数和初衬渗透系数一定时,增大控制排水量有利于减小二衬背后外水压力。     

泄水式管片衬砌不同泄水方案的流固耦合分析

泄水式管片衬砌是在常规管片衬砌基础上改进的结构形式,可用于TBM施工的高水压隧道工程。本文基于裂隙岩体连续介质流固耦合模型,研究无泄水孔、单环单侧单泄水孔、单环单侧双泄水孔等不同泄水方案下衬砌壁后及围岩内的水压力分布形态、泄流量大小。研究表明:开设泄水孔能明显降低衬砌壁后水压力,泄水孔数量与水压力折减值、泄流量成正向关系,与水压力降低效应增长成反向关系;泄水孔数量变化对靠近泄水孔的衬砌中下部,尤其是泄水孔所在高程,水压降低效应变化明显,而衬砌中上部相差不大;建议泄水孔数量在综合分析设计水压力和水环境保护的基础上确定。     

隧道围岩渗流和衬砌水压力荷载

从地下水的渗流作用出发,对作用于隧道衬砌的水压力荷载的计算进行了讨论,并得出以下几个结论：一是在采用全封堵防水衬砌的情况下,无论围岩的渗透系数多小,都必须考虑同地下水位相应的水压力荷载。二是只有透水的衬砌（或设置排导系统）才能考虑水压力折减系数。水压力折减系数的量值主要取决于衬砌渗透系数同地层渗透系数之比。三是对于高水头的深埋隧道,为避免量值较大的水压力,应设置排导系统,不宜采用全封堵衬砌结构。要采用围岩注浆来控制地下水的排放流量。     

深埋山岭隧道帷幕注浆段衬砌外水压力研究

通过建立深埋山岭隧道的渗流模型,分析外水压力对支护体系的荷载影响,推导出帷幕注浆段衬砌外水压力的计算公式以及隧道内最大涌水量公式,并就理论公式结合工程实际情况展开探讨。同时,对太行山隧道帷幕注浆段外水压力进行现场测试。测试数据表明,由于监测时间较短、测点选择等原因,虽然帷幕注浆段衬砌外水压力较小,但考虑到后期外水压力的增加,为确保隧道运营期安全,需加强高压富水段外水压力持续监测。     

山岭隧道突水对衬砌结构受力影响数值分析

用有限元数值模型,分析隧道断面上8个不同位置10种不同水压突水条件下衬砌结构的受力特征。结果表明:突水位置发生在仰拱或墙脚位置时,对衬砌结构的受力影响显著;突水对衬砌结构上的最大正弯矩和最大剪力影响最显著,而对最大负弯矩和最大轴力影响要相对小一些。运用结构力学的弯矩影响线理论,把突水压力作为衬砌结构上的移动荷载,给出不同突水压力下衬砌结构的弯矩包络图。     

山岭隧道高水压下衬砌结构三维数值模拟

采用三维有限元数值模型,分析圆梁山隧道高水压条件下衬砌结构受力及变形特征。研究结果表明,高水压对隧道衬砌结构影响显著,在高水压作用下衬砌结构的受力和变形都较大,衬砌结构上存在较大的纵向弯矩。水荷载是隧道衬砌结构的主要荷载之一,应引起足够的重视。