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。     

基于连续介质模型的海底隧道渗流问题分析

 与普通山岭隧道不同,海底隧道的一个显著的特点就是有着无限的水源对海底隧道进行补给。海底隧道开挖引起的地下水渗流带来两方面的问题：一是结构水荷载的确定问题,二是涌水量的预测问题。将围岩看作各向同性连续介质,针对这两方面的问题进行研究。明确孔隙介质中水压力的实质;根据国内外最新研究成果,针对山岭隧道和海底隧道不同的边界条件,对各向同性渗透系数下平面半无限含水空间圆形隧道稳定渗流的涌水量和水压力分布的解析解进行分析;以青岛胶州湾海底隧道为工程背景,采用数值方法比较应力场对渗流场的影响,以及围岩渗透系数、水深、注浆圈渗透系数和注浆圈厚度的改变对围岩孔隙水压力和洞内涌水量的影响。分析结果表明：隧道开挖的成拱效应对围岩孔隙水压力的分布和洞内涌水量的大小影响不大;在不考虑渗流场和应力场耦合作用、水深一定条件下,渗透系数的改变不会影响毛洞孔隙水压力的分布;隧道洞内涌水量随着围岩渗透系数或围岩上覆海水深度的增大呈线性增大;注浆圈渗透系数的减小和注浆圈厚度的增大都可以达到减小隧道洞内涌水量的目的,在实际施工中应该在注浆的经济性和其堵水效果两方面进行综合分析,确定最优化的注浆参数。     

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。     

工程活动诱发的围岩结构变化对隧道突涌水的影响分析

随着深大交通、水利水电隧道(洞)的大量建设及地下矿产的不断延深开采,隧道突水灾害问题愈加严重。工程活动作为诱发突水的必要条件,其导致的围岩结构变化将对围岩力学、水力学性质及隧道附近渗流场产生重要影响。从工程扰动诱发的围岩损伤及其导致的渗透性演化入手,利用理论解析法研究了隧道围岩结构变化对涌水量及水压力分布的影响。结果表明:损伤区厚度对隧道涌水量和孔隙水压力分布具有较大影响,损伤区范围越大,发生突水的危险性越大;损伤区渗透系数对隧道涌水量的影响阈值约为2个数量级,之后其对涌水量的影响较弱;注浆圈厚度越大、渗透系数越低,隧道涌水量越小,但并不是注浆圈厚度越大、渗透性越低,涌水量的控制效果就越好,而是存在一个最优效果的设计值。     

富水地层隧道注浆圈堵水减压效应研究

衬砌水荷载和控制排水量是富水区隧道修建过程中的两个关键问题。采取非线性解析方法实现"堵水限排",研究了注浆圈厚度、渗透系数对衬砌外水压力和排水量的影响。研究表明:富水隧道中的注浆圈起着显著"堵水降压"作用,注浆圈厚度的增加以及渗透系数的减小,都会使衬砌水荷载和控制排水量呈非线性减小。     

任意埋深水下隧道渗流场解析解

总结现有关于水下隧道渗流场解析研究的优点和不足,基于稳态渗流控制方程,结合保角变换方法,严格推导了水下隧道渗流场的解析解。该解能求解任意埋深考虑注浆圈作用的水下衬砌隧道渗流量以及水压力分布,并能退化到无衬砌水下隧道以及水下不透水管道两种极端情况,应用Comsol软件建立数值模型验证了新解答的正确性。利用本文解研究了隧道埋深、衬砌渗透系数、衬砌厚度等因素对隧道渗流量、衬砌外水压以及总水头分布的影响。研究发现当隧道埋深较小时,最大水压力出现在隧道顶部,而埋深较大时,则出现在隧道底部;衬砌外圈平均水压力及分布不均匀程度随着埋深的逐渐增大先减小后增加;其他参数不变时,存在某个埋深或者衬砌厚度使衬砌外水压力接近均布。     

惠东隧道渗流场数值分析

讨论了惠东隧道的注浆控制因素对渗流场的影响，分别考虑了注浆层的渗透系数和隧道的排水量与地下水位降深的影响，并通过数值模拟分析给出了它们之间的关系曲线，分析了施工期与运营期的隧道渗流场，指出注浆层渗透系数是控制衬砌背后水压力的主要因素。     

水下隧道渗流场解析解及其应用

 以复变函数和地下水水力学理论为基础,推导由围岩、注浆圈、衬砌混凝土组成的水下隧道渗流场解析解。以厦门海底隧道F4风化囊地段为工程背景,研究影响围岩、注浆圈、衬砌的渗流参数对衬砌外水压力和渗流量的影响。研究结果表明,注浆圈和初期支护施工效果对衬砌后水压力和渗流量的影响很大,应重视注浆圈和初期支护的施工。当排水系统堵塞,渗流量减小时,初期支护和二次衬砌的外水压力会重新分配。结合理论计算和现场实测水压力结果,提出在堵水限排情况下,初期支护水压力可降至静水压力的1/3。     

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。     

水下隧道渗流场分布规律的模型试验研究

水压力是水下隧道设计的关键指标。利用室内模型试验系统,对水下隧道的渗流场进行了研究,得出了隧道在不同排水方式下注浆圈和衬砌背后水压分布规律:衬砌背后各点水压随排水量的增加迅速减小,当排量达一定程度,减小速率变缓,直到水压值接近0;从水平和竖直两个方向来看,土体表面到拱顶,水压呈静水压力分布;注浆圈水压快速减少,说明其对水压力折减效果十分显著。通过改变注浆圈厚度和渗透系数的实验研究,发现在相同排水量条件下,注浆圈厚度越大,衬砌背后和注浆圈边缘水压力越小,注浆圈渗透系数越小,衬砌背后及注浆圈边缘的水压力越大。     

不考虑开挖扰动影响的隧道涌水量预测模型试验研究

 采用大型施工及运营期矿山法隧道渗流模型试验系统,在不同的注浆圈和初衬渗透系数下,不考虑隧道开挖的扰动影响进行涌水量预测,并以Visual-modflow软件进行数值建模分析,结果表明：两者涌水量结果和规律基本吻合,随注浆圈或初衬的渗透系数减小,其试验平均涌水量值均呈非线性下降,各工况单次试验测试值的离散性也逐渐减小,而降低注浆圈渗透系数对涌水量的影响更为明显;改变注浆圈渗透系数,各工况连续采集涌水量结果呈先减小后增大至逐渐平衡的趋势,而改变初衬渗透系数则呈现涌水量逐渐减小直至平衡的趋势;非扰动开挖使地下水向隧道内汇集,隧道周围水力坡度明显增大,等水位线分布密集,掌子面附近等水位线沿隧道开挖方向凹陷;完善的防水体系(初衬及注浆圈)对保持地下水稳定起到显著作用,可有效减弱局部水力联系,减小渗流影响范围,地下水降幅也明显减小。研究方法及成果对类似工程设计和施工具有一定的指导作用。     

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。     

深部隧洞裂隙围岩渗透特性及衬砌外水压力变化规律

高外水压岩是影响隧道开挖过岩围岩稳定及衬砌结构安全的关键因素之一,基于裂隙介质渗流经典理论,给出围岩、衬砌不同渗透系数下的外水压岩解析解,采用数值方法对隧洞二次衬砌后的外水压岩作用特性进行仿真模拟,探讨裂隙围岩岩衬砌渗透系数对渗流场的影响,围岩、衬砌渗透和排水措施岩外水压岩的相关性。研究表明岩体和衬砌渗透系数之比是影响衬砌外水压岩的关键,正确的灌浆、排水设计对外水压岩折减系数影响较大,是减小衬砌外水压岩的有效措施。结论对高压水作用下裂隙岩体渗流及衬砌外水压岩研究具有重要理论意义,对高水压下围岩注浆及衬砌结构材料选型、参数选择等具有重要岩岩实用价值。     

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。     

Rational permeability coefficient of a permeable lining for composite tunnel lining structures

 Various factors influence the tunneling are simplified considering the axial symmetry of the composite lining structure. The analytical expressions for the seepage field,stress,and displacement in the surrounding rock and those for the grouting circle,permeable lining,and ordinary lining are obtained according to the principle of effective stress. The seepage discharge,plastic zone,stress,and displacement around a tunnel affected by the different permeability coefficient ratios between the permeable lining and surrounding rock are studied. The reasonable value of permeability coefficient for the permeable lining are discussed. The results show that the grouting circle controls the tunnel seepage discharge well and has a reasonable permeability coefficient and an optimal radius. The grouting circle controls the plastic zone development in the surrounding rock,i.e.,the thicker the grouting circle,the smaller the plastic zone in the surrounding rock. The tunnel seepage discharge and the effective stress in the grouting circle and lining increase gradually with the increasing of permeability coefficient ratio and tend to be stable after the ratio reaches 0.1. Comprehensive analysis on the factors such as the stability of tunnel seepage discharge,the plastic zone of the surrounding rock and the stress around the tunnel indicates that it is relatively reasonable for the permeability coefficient ratio to be greater than or equal to 0.1.