海底隧道衬砌结构设计

 海底隧道围岩水通常具有稳定水位和充足补给，隧道结构受长期的水压力作用，衬砌计算中应首先确定水压力荷载大小，并综合考虑隧道涌水量的大小，由此对衬砌断面的拟定、衬砌类型的选择、衬砌结构安全性进行评价计算。正在建设的厦门翔安海底隧道衬砌结构设计时，通过不同防排水方式下衬砌背后水压力特征的模型试验表明，作用于全封闭衬砌上的水压力是不能折减的；根据陆域和海域不同地段预测全隧道涌水量，由于无法满足运营期间的排水，衬砌结构必须采用全封闭形式或限制排放形式；利用ANSYS有限元软件，根据外水压力大小与围岩压力组合下对不同的隧道衬砌断面进行对比分析计算，以得出结构受力最为经济合理的断面形式；并以此断面按荷载结构模式法进行全封闭衬砌结构计算。计算结果及建设的实际情况表明衬砌受力合理。     

外水压下隧道围岩与衬砌的随机有限元分析

为探讨在外水压力作用下隧道围岩和衬砌的力学承载特性,以龙潭隧道为依托,进行了随机有限元数值模拟。模拟采用了响应面法和蒙特卡罗模拟的手段,并进行了响应面方程拟合和概率敏感性及相关性的计算分析。分析结果表明,在外水压力的作用下,隧道衬砌的破坏形式以受压破坏为主,提高围岩弹性模量较衬砌弹性模量对改善衬砌承载外水压的力学性能更为有效。并在此基础上指出,外水压下的衬砌设计和隧道施工应考虑下述因素:围岩可以分担外水压力的承载特性、地层结构法的计算模型、注浆具有堵水和加固的双重效果。     

隧道外水压力确定的渗流分析方法及排水方案比较

隧道外水压力是进行隧道衬砌设计的重要因素.目前,外水压力的确定还是采用根据当地的地下水位折算外水压力的折减系数方法.这是一种粗略的折算方法,并不十分恰当.根据隧道周围岩层的水文、地质条件建立模型,采用三维拟连续介质渗流理论,通过数值计算来确定围岩衬砌上的外水压力场.工程实例计算了隧道围岩岩性为均匀的和非均匀的岩层内部的水头场分布,并设计不同的排水方案,通过计算比较了各种排渗方案的排水效果.结果显示,该方法用来确定隧道衬砌外水压力是可行的.     

泄水式管片衬砌壁后水压力分布特性模型试验研究

基于研制的泄水式管片衬砌–围岩泄流装置,采用室内试验方法对某铁路隧道装配式泄水式管片衬砌在高水压条件下衬砌壁后水压力分布规律进行研究,重点探讨单纯限排、堵水限排等不同泄水方案下衬砌壁后外水压力分布规律。分析排泄流量、泄水孔密度、注浆与否对隧道衬砌壁后水压力的影响,揭示隧道衬砌壁后整体和各位置处外水压力折减系数、外水压力大小等与衬砌泄水孔泄流量之间的二次曲线关系。研究结果可为高水压山岭隧道衬砌的设计提供参考。     

高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究

博士学位论文摘要：随着国内铁路路网的完善和发展，需要修建大量深埋长大山岭隧道，在高水压岩溶区修建隧道，这在国内外都是个技术难题，尤其在当今对环保要求较高的条件下，必须改变以往“以排为主、排堵结合”的治水方案，采取“以堵为主、限量排放”的治水方案，在这种背景下，不可避免地遇到高水压问题。因此，研究深埋高地下水位铁路隧道围岩、注浆圈、衬砌背后水荷载的分布规律和高水压的存在对隧道围岩稳定和结构受力的影响具有突出的工程实践应用价值。这些问题已成为当前地下工程（特别是深埋山岭隧道）设计、施工、运营中很关键且无法回避的问题，已经引起各国有识之士的极大关注，是隧道工程研究的前沿和热点问题之一。本文以在建的渝怀线圆梁山深埋特长铁路隧道为工程背景对上述问题进行系统研究。 研究内容与方法如下：（1）在对水工隧道水压力折减系数综合分析的基础上，考虑铁路隧道与水工隧道结构、防排水型式的不同，提出了水压力作用系数的概念。采用室内三维模型试验方法研究均质围岩、裂隙围岩中隧道修建过程中水压力分布变化规律，重点分析衬砌背后和注浆圈外表面水压力及其水压力作用系数与围岩、注浆圈、衬砌的渗透系数、厚度和隧道控制排水量的关系。（2）采用理论分析方法，推导均质围岩中针对铁路隧道防排水型式下注浆圈外表面、衬砌背后水压力理论解析公式，分析衬砌背后水压力与各量之间的关系。通过对地下水渗流场数学模型研究，采用等效连续介质模型用数值方法分析隧道渗流场的分布，对地下水在围岩、注浆圈、衬砌上水压力分布规律及其作用系数进行分析。（3）以圆梁山隧道地质勘测报告为基础，通过分析得出圆梁山隧道的水文地质结构模型、地下水流系统模型、地下水动力模型：特别是对深孔压水和抽水试验成果进行详细分析，得出隧道附近围岩的渗透系数和渗透系数张量，为数值分析和三维室内模型试验围岩渗透系数的取值提供依据；进一步概括得出圆梁山隧道的地下水流数学模型，并将模型试验、理论计算公式、渗流场等效连续介质数值模拟分析得到的水压力分布规律应用于该工程实际。（4）采用数值分析方法研究单线铁路隧道标准衬砌断面形式承受水压力的能力，并结合圆梁山隧道工程对5种不同形状断面进行优化分析。（5）在水压力分布规律研究的基础上，采用数值分析方法分析水压力在衬砌上均匀分布、不均匀分布、局部突水时隧道围岩的稳定性和结构受力特征。 主要研究成果如下：（1）提出水压力作用系数的概念，并采用室内模型试验、理论公式推导、数值分析等方法研究得出注浆圈外表面、衬砌背后水压力分布规律，确定作用在衬砌上水压力荷载的大小；得出水压力作用系数与围岩、注浆圈、衬砌渗透系数、厚度及隧道控制排水量的关系。（2）针对圆梁山隧道工程，给出水压力分布规律模型试验和数值分析结果的工程应用。（3）得出单线铁路隧道标准衬砌断面形式承受水压力的能力值为0．40MPa，经对断面形状进行优化分析得到承受高水压的合理断面形式为蛋形断面或圆形断面，当水压力超过1．5MPa时，采用圆形断面为宜。（4）分析水压力在衬砌上均匀分布、不均匀分布、局部突水时隧道的位移、塑性区、衬砌内力大小和分布特点，运用结构力学上弯矩影响线理论，在突水位置不确定的情况下，提出采用弯矩包络图确定衬砌结构上最大弯矩的方法。     

隧道围岩压力的弹塑性新解

在隧道衬砌设计中,围岩压力通常是最主要的荷载,也是最难以确定的荷载。围岩压力的弹塑性理论研究也从未间断。经典的芬纳公式和修正芬纳公式由于塑性区半径的不确定性而限制了其实际工程应用。以修正芬纳公式为基础,考虑围岩与衬砌的共同作用,在未作塑性区体积不变的假设条件下,推导得到塑性区半径的理论计算方法,从而可以直接应用修正芬纳公式计算围岩压力,为隧道衬砌设计提供指导。     

海底隧道复合衬砌水压力分布规律及合理注浆加固圈参数研究

与普通山岭隧道不同,海底隧道深埋于海床之下,地下水的处理是其修建过程中的关键问题,而隧道渗水量控制及衬砌结构水荷载确定又是地下水处理的核心问题。采用“堵水限排”的设计理念,设计海底隧道复合衬砌结构防排水系统,可以实现以较小的排放量明显折减甚至消除作用在支护结构上的外水压力,使海底隧道衬砌结构设计更经济。基于地下水水力学理论,推导海底隧道渗水量和复合衬砌结构外水压力的计算方法,并结合厦门海底隧道工程实践,采用理论分析和数值模拟方法揭示初期支护、二次衬砌以及注浆加固圈等参数的变化对隧道渗水量和衬砌外水压力的影响规律。在此基础上,提出海底隧道复合衬砌合理注浆加固圈参数的确定方法,并在厦门翔安海底隧道穿越F4风化深槽的合理注浆加固圈参数设计中取得成功应用。研究结果可为海底隧道或富水区高水头山岭隧道工程的防排水系统设计提供借鉴和参考。     

山岭隧道复合衬砌结构水压力影响因素分析

采用正交试验设计理论对隧道复合衬砌结构水压力影响因素进行了分析,得出影响山岭隧道复合衬砌结构外水压力最重要的因素是隧道排水系统的排水能力,复合衬砌结构外水压力随排水能力的增大呈线性减小趋势;同时给出利于控制复合衬砌结构外水压力的山岭隧道防排水设计建议。     

水工隧洞中的渗透动水压力

<正> 在水工隧洞中内水压力和外水压力（渗透动水压力）是作用于水工隧洞衬砌的主要荷载,内水压力的受力状态可按水力学的管流（有压隧洞）或明渠流（无压隧洞）的理论进行计算。至于渗透动水压力的确定方法,各家则有比较大的争论。有许多观点,至今还没有取得一致的看法,过去普遍是将渗透动水压力按静水压力处理,则把“势”力看成外力,再乘上一折减系数作为作用于衬砌上的外水压力,这种考虑不仅在概念上是不正确的,而且往往误差很大,为此,对隧洞围岩的渗流场特性及其作用于衬砌上的渗透动水压力     

南水北调西线工程深埋长隧洞管片衬砌结构受力分析

地应力和地下水问题对深埋长隧洞衬砌的设计及施工具有重大影响。通过数值计算对南水北调西线工程深埋长隧洞管片衬砌结构进行了受力分析,研究了围岩变形及水压力对管片衬砌结构的影响。初步研究结果表明:约90%的洞段稳定性较好,围岩变形对管片衬砌结构影响较小,可采用管片衬砌;隧洞沿线外水压力较高,是影响衬砌设计的主要因素,应采取适当的排、堵措施降低外水压力对管片衬砌结构的作用。研究结果为南水北调西线一期工程隧洞衬砌设计提供了依据。     

高水压富水区隧道限排衬砌注浆圈合理参数研究

海底隧道深埋于海水以下,处于高水压富水区,隧道结构设计时需要考虑外水压力,如果采用"堵水限排"的防排水设计原则,能够以较小的排水量显著降低作用在衬砌上的外水压力,从而使隧道结构设计更加经济。注浆圈合理参数的确定是"堵水限排"的核心问题。基于穿越高水压富水岩溶区的圆梁山隧道工程,通过理论计算和分析,得到了注浆圈参数变化对隧道涌水量和衬砌外水压力的影响规律;提出了隧道排水率的概念,分析了隧道排水率与衬砌外水压力之间的关系。在此基础上提出了确定注浆圈合理参数的方法和程序,给出了圆梁山隧道注浆圈的合理参数值,并在现场得以应用,取得了理想的效果,注浆后实测隧道涌水量与理论计算值基本一致。研究结果表明:衬砌外水压力折减系数取决于隧道排水率,只有当隧道排水系统能够将渗透到衬砌背后的地下水全部排出时,衬砌外水压力才能完全消除;注浆圈的作用不是分担衬砌外水压力,而是通过封堵地下水降低隧道涌水量,从而以较小的排水量可显著降低甚至消除衬砌的外水压力。研究成果对类似高水压富水区以及海底隧道防排水设计具有一定的参考价值和借鉴作用。     

三峡永久船闸混凝土边坡极端不利外水压力分析

三峡永久船闸采用直立岩坡贴壁式薄衬砌边墙,墙后外水压力水是边墙稳定的重要荷载。船闸闸室水位变动频繁,当闸室水位突降,由室内渗出的外水即构成作用在边墙上的外水压力。考虑了墙内排水体系的作用,对非恒定渗流问题进行了多工况分析,给出极端最大外水压力值。     

考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场解析研究

体外排水方式在隧道工程中已得到逐步应用,但考虑注浆作用的体外排水隧道渗流场解析理论未见报道,导致理论滞后于工程实践。基于镜像法与渗流力学理论,提出了考虑注浆圈作用的体外排水隧道渗流场理论模型,通过解析退化、数值仿真两种方法共同验证了理论模型及解析公式的正确性,探讨了注浆圈渗透系数与厚度对涌水量、隧道外水压力的影响规律。分析结果表明：注浆圈渗透系数对体外排水隧道渗流场存在显著影响,随注浆渗透系数比值增大,涌水量可得到明显控制,但会引起外水压力的增长;注浆圈厚度影响相对较小,其影响主要在于厚度值越大时能一定程度上加强对底部结构外水压力的控制。提出了兼顾隧道限排要求与隧底水压力控制效果的合理注浆圈参数。研究成果以期为体外排水隧道注浆参数设计及施工实践提供参考。     

The effect of external water pressure on the liner behavior of large cross-section tunnels

Recent extreme weather with heavy rainfall has brought new challenges to the operation of a karst tunnel as a large amount of groundwater flowing toward the tunnel in a short time exceeded the drainage capacity and caused high external water pressure. By evacuating the air in the inner space of the tunnel structure, an apparatus was developed to simulate the external water pressure on the tunnel structure. It was also employed to study the behavior of a highway tunnel structure with a large cross section considering cavities behind the liner. The results showed that the bending moment of the liner increased with the external water pressure, which helps to decrease the nonuniform distribution of the thrust force, and the maximum bending moment and eccentricity were generally located at the knees or side walls. Lower external water pressure contributed to reducing the eccentricity of the liner while higher external water pressure does not further reduce the eccentricity. Under external water pressure, fractures appeared first at the knee, then at the invert and finally at the vault. The air tightness tests under external water pressure also showed that the cavity decreased the bearing capacity of the liner and significantly aggravated the fractures in the liner nearby. The results help to estimate the bearing capacity of the liner under external water pressure, and the method of simulating external water pressure can also be used to study tunnels with different cross section geometries.     

The external water pressure on a deep buried tunnel in fractured rock

Underground tunnels are increasingly built at greater burial depths for water conservancy and hydropower projects. The safety of these tunnels is threatened by high external water pressure during construction and reservoir operations. In this research, external water pressure was considered to be a relative incremental water pressure, instead of an absolute value: it thus depended on several factors, such as the excavation, lining, and grouting zone of tunnel. The calculation thereof was deduced. Also, a coupled model was used to calculate the external water pressure. This model incorporated a fractured network model (DFN) into an equivalent continuous medium model (ECM). The results showed that calculated hydraulic heads matched measured values when using the coupled model, rather than the continuous model, in the areas where fractures and fault zones were well-developed. Furthermore, external water pressures were predicted using the verified coupled model during the emptying and filling of diversion tunnels with water.     

不同外水压力下输水隧洞结构及配筋计算分析

本文采用SDCAD对输水隧洞衬砌结构在不同外水压力作用下的内力值及配筋进行了计算,结果表明,无压输水隧洞内力及配筋结果由外水压力控制,外水压力越大,结构所受内力就越大,对隧洞的选配钢筋的要求也就越高。