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。     

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。     

公路隧道衬砌裂损防治措施

为深入研究公路隧道混凝土衬砌裂损成因及其处治措施,基于现有文献对隧道衬砌裂缝的调查结果和工程实践处治经验,该文对隧道衬砌裂损的几种常见形式进行分类。根据隧道衬砌裂损相关力学原理、设计和施工技术、地质条件等其他相关因子分析其病害成因,总结得出隧道衬砌开裂的防治原则和有效的整治措施,以期对工程实践提供理论依据和参考,在隧道衬砌施工和隧道衬砌裂损整治方面发挥积极作用。     

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。     

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。     

隧道排水系统非对称堵塞对衬砌外水压力的影响

基于目前未见对隧道排水系统非对称堵塞后的衬砌外水压力的变化规律的研究,以重庆中梁山某隧道为研究背景,建立了隧道及其排水系统的简化模型,通过模拟不同长度的排水系统非对称堵塞,研究了隧道衬砌结构受到的水压力的变化规律,并且在隧道工程中进行了现场模拟排水系统堵塞的试验,试验结果与数值模拟可相互印证。研究结果表明:(1) 隧道排水系统单侧堵塞后,堵塞侧二次衬砌背后的水压力在短时间内将上升,然后逐渐下降至稳定,但高于排水系统正常时的水压;(2) 隧道排水系统非对称堵塞长度不断增加时,堵塞侧二次衬砌背后受到的外水压力峰值和稳定值也不断增加;(3) 隧道排水系统非对称堵塞长度不断增加时,注浆加固圈承受的最大水压力绝对值不断在增加,但注浆加固圈分担水压力的能力将逐渐减小。     

山岭隧道堵水限排衬砌外水压力研究

0 前 言 我国是一个多山的国家,山地面积占三分之二以上。为发展交通,需要修建大量隧道。据统计,截止1999 年末,我国大陆地区已建成的铁路隧道有 6876座,总延长约 3670 km,到 2000 年已有公路隧道 1684座,总长 628 km[1]。一般而言,不论在施工中还是运营后,隧道结构时刻处于地下水包围之中,隧道衬砌的渗漏、变形,洞顶地表的塌陷,施工期间的突水、突泥,都与地下水有关,而且水位越高,危害越大。如何处理好地下水是山岭隧道设计施工需要解决的关键问题之一。长期以来我国隧道工程基本上奉行“排堵结合、以排为主”的方针,但长期的大量排水使原有的地下水平衡遭到破坏,造     

深埋隧道衬砌水荷载计算的基本理论

铁路，公路跨越山岭地，越岭隧道方案被大量采用，而深埋隧道的高水压和突，涌水则成为亟待解决的问题。合理设计有外水压力隧道的关键在于：（1）随道围岩渗流场的分析；（2）外水压力作用系数的研究。隧道衬砌的静力计算和围岩压力及水荷载密切相关，在衬砌的设计中，既可以将围岩压力和外水压力分算，也可以考虑二者的耦合作用，进行水－岩合算。根据前人的研究成果，总结和讨论了隧道衬砌水荷载计算中的基本理论。     

某高速公路隧道二次衬砌安全性分析

二次衬砌作为Ⅲ类以下围岩隧道的主要承载结构和最后一道防水防线，其结构安全对隧道工程质量起着至关重要的作用。首先根据公路隧道设计规范和普氏地压理论，对某高速公路隧道围岩压力进行计算，为现场二次衬砌压力实测值提供了可比较的参考标准。然后，根据二次衬砌压力实测值，应用同济曙光软件对最大实测压力断面二次衬砌结构内力进行数值计算，根据规范对二次衬砌轴力和剪力设计值进行计算，并基于数值计算结果对二次衬砌进行了结构强度校核。最后结合隧道设计、工程地质、施工及地质雷达探测情况，分析了该隧道加宽段及其附近二次衬砌压力明显偏大和产生细小裂缝的原因。     

水岩分算隧道衬砌外水压力折减系数取值方法

针对如何确定水岩分算时隧道衬砌外水压力折减系数问题,结合已有隧道规范中地下水处理的规定及外水压力折减系数经验取值方法,从地下水渗流作用出发,基于地下水水力理论,推导了地下隧道渗水量和复合衬砌结构外水压力折减系数理论求解公式,揭示了灌浆圈、初期支护、二次衬砌渗透系数及灌浆圈厚度等参数的变化对隧道渗水量和衬砌外水压力折减系数的影响规律。在此基础上提出了不同衬砌类型外水压力折减系数取值所应注意的问题及相应的取值方法。研究结果可为隧道工程的防排水系统设计提供借鉴和参考。     

某水库库区及周边环境水化学特征

通过研究库区干流水及周边环境中岩溶地下水及煤洞水的水化学特征及其差异,在一定程度上能够表明库区与外界环境的联系,从而进一步了解库区及周边环境水循环系统的特征。     

关角隧道三号斜井涌水段施工方案

对关角隧道三号斜井的施工涌水量进行了实际测量,根据实际情况归纳出了施工涌水的具体处理原则,提出了排水设计方案及径向注浆施工方案,以确保隧道施工的顺利进行。     

汾阳至邢台高速公路宝塔山隧道涌水量预测

针对宝塔山隧道赋存有丰富的地下水,水文地质条件复杂的情况,根据地下水动力学法(解析法)和水理统计法对隧道涌水量进行了预测。预测结果为:左线8 338.0 m3/d(1 269.1 m3/(d.m)),右线8 334.4 m3/d(1 231.1 m3/(d.m))。     

长大深埋地铁隧道涌水治理方案

针对轨道交通地下区间涌水的情况,以重庆轨道交通一号线中梁山隧道为例,详细论述了地铁隧道不同涌水部位分别制定的针对性治理方案,旨在对类似工程提供一些参考。     

大相岭隧道水文地质特征及其涌水量预测

根据大相岭隧道的水文地质勘察资料,分析了其含水介质及地下水类型、地质构造、地下水补给、径流、排泄等水文地质特征,运用简易水均衡法对大相岭隧道各水文地质单位进行涌水量预测,其结果对施工有一定的指导意义。     

晋阳高速公路隧道渗水处治

渗水病害是铁路、公路隧道常见的病害之一。以晋阳高速公路渗水处治情况为实例,对其地质概况进行分析,介绍了隧道渗水的处治原则,提出了详细的施工方案及参数。     

关子隧道防排水设计

针对黄土隧道排水设计与普通岩质隧道区别很大的问题,结合关子隧道具体情况,介绍了通过对不同围岩段排水分类设计和协调统一的具体方法,以达到防排水系统排水通畅、防水可靠、经济合理、不留后患的目的.     

有衬砌条件下隧道地下水渗流场变化规律研究

基于数值模拟方法,研究了隧道开挖后有衬砌支护情况下渗流场的变化及地下水位的变化情况,并分析了无衬砌条件下双孔隧道对渗流场的影响,得出了不同工况下孔隙水压力的变化情况及渗流场影响范围,并且得出了地下水位随时间的变化情况,可为隧道的设计、施工以及隧址区环境的保护提供参考。     

小竿岭公路隧道渗漏水治理

205国道小竿岭公路隧道由于受地质状况及设计、施工质量的影响，出现不同的渗漏水现象。介绍了工程采用的引水、堵水和表面处理相结合的综合治理方案，以及施工过程中的注意事项。     

公路隧道渗漏水危害及预防措施

介绍了公路隧道渗漏水的危害,分析了公路隧道发生渗漏水的原因,并从提高复合衬砌防水夹层的完整性和密闭性、提高隧道接缝处的防水能力、提高衬砌自防水能力等方面提出了公路隧道渗漏的预防措施,以保证隧道的安全运营。