隧道工程热液固多场耦合效应研究

论文摘要

隧道工程总是赋存于一定的地质系统中，地下水、地应力和温度是该物理地质环境中的三个主要因素，隧道围岩温度场、渗流场和应力场之间相互依存，相互联系、相互影响，将各物理场分开进行研究而忽略其相互耦合作用的研究所得出的结论往往与工程实际情况不相适应，也不能满足当前隧道工程建设的需要，因此，有必要对隧道进行热液固多场耦合效应研究，探明各介质的力学特性以及它们之间的相互影响，从而真实反映隧道结构及围岩的实际工作状态。论文以复杂条件下的寒区隧道、高水压水下盾构隧道等典型隧道工程为研究对象，采用热液固耦合数学模型，综合现场跟踪试验、数值模拟等研究手段对寒区及水下隧道进行热液固耦合分析，就高水压水下盾构隧道的施工期安全性及寒区隧道抗防冻保温层设计进行了较系统的研究并取得系列的研究成果。1．选择水下盾构隧道有代表性的“砂岩层”和“砂岩-泥岩互层”断面，进行液固耦合效应的现场跟踪测试研究，系统测试实际作用在盾构隧道主体结构上的外水压力、土压力的量值及分布规律，探明水下盾构隧道主体结构与围岩、长江水的相互作用特征，判明盾构隧道主体结构的实际受力状态及结构安全性。2．采用有限元数值模拟法，对施工期围岩及结构进行渗流场单场数值模拟分析，探明隧道掘进过程渗流场的变化规律；利用液固双场耦合理论，采用有限元数值模拟，研究施工期间隧道围岩及主体结构的渗流场、应力场及变形场的分布和演化规律以及相互影响关系，并结合现场跟踪测试对施工期主体结构的安全性作出评价。3．采用伴相变温度场数学模型，对寒区隧道围岩及结构温度场进行数值模拟分析，探明寒区隧道温度场分布规律及影响因素；对不同材料、不同结构型式／厚度的保温隔热措施进行围岩及衬砌相变温度场研究，获得保温层施作前后的围岩、衬砌温度场，确定合理的试验段保温层厚度。4．采用相变温度场、渗流场、应力场耦合数学模型，对保温层施作前后的围岩及结构进行热液固三场耦合分析，探明寒区隧道运营期围岩温度场、渗流场及应力场的分布及演化规律，揭示季节性冻融冻胀条件下隧道结构受力特性，对寒区隧道保温层的保温效果进行数值验证；最后，将寒区隧道保温层材料及厚度的数值模拟方法应用于鹧鸪山隧道，计算满足抗防冻所需的合理保温层材料及厚度，并利用现场试验进行了保温效果的验证，从而为类似寒区隧道的抗防冻设计提供有益的参考。本项研究开展面向高水压、高寒等条件下的复杂隧道工程的热液固多场耦合效应研究，对高水压水下盾构隧道施工期安全保障措施、高寒隧道的抗防冻措施的设计与实施均具有重要的现实意义。随着我国基础设施建设的高速发展，特别是2005年国家高速公路网规划的发布，以高寒隧道、江／海底隧道等为代表的复杂隧道工程呈日益增长的趋势，开展这方面的基础课题研究，将对目前以及未来国家重大隧道工程具有重要参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 隧道工程中的耦合问题
• 1.2 国内外研究综述及发展趋势
• 1.2.1 温度场、渗流场单场研究综述
• 1.2.2 热液固双场耦合研究综述
• 1.2.3 热液固三场耦合研究综述
• 1.3 选题依据、研究内容及方法
• 1.3.1 选题依据
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 主要研究方法
• 第2章 隧道工程热液固耦合的理论基础
• 2.1 岩体的弹塑性基本理论
• 2.1.1 岩土材料的强度准则
• 2.1.2 非线性弹塑性本构模型
• 2.1.3 弹塑性增量有限元理论
• 2.2 岩体渗流力学基础
• 2.2.1 岩体的渗流问题
• 2.2.2 岩体渗流的基本理论
• 2.2.3 岩体连续介质渗流数学模型
• 2.2.4 连续介质渗流数学模型的数值解法
• 2.3 岩体传热力学基础
• 2.3.1 热传递的基本方式
• 2.3.2 一般非稳态温度场的控制方程
• 2.3.3 伴相变温度场的控制方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 水下隧道液固耦合问题及现场试验研究
• 3.1 水下隧道的液固耦合问题
• 3.1.1 隧道工程的液固耦合效应
• 3.1.2 渗流对隧道工程影响的分析方法
• 3.2 水下盾构隧道施工期液固耦合效应的动态观测及分析
• 3.2.1 液固耦合的现场跟踪试验
• 3.2.2 液固耦合效应的现场试验分析
• 3.2.3 液固耦合试验结论及施工安全性评价
• 3.3 本章小结
• 第4章 水下盾构隧道施工期液固双场耦合效应研究
• 4.1 水下隧道渗流场与应力场耦合研究方法
• 4.1.1 渗流场与应力场耦合研究方法
• 4.1.2 水下隧道渗流场与应力场的耦合机理
• 4.1.3 水下隧道渗流场与应力场耦合分析的数学模型
• 4.1.4 水下隧道渗流场与应力场耦合的数值解法
• 4.2 水下盾构隧道施工期渗流场单场计算分析
• 4.2.1 计算原型及模型
• 4.2.2 隧道施工期渗流场单场计算结果
• 4.3 水下盾构隧道施工期渗流场与应力场耦合计算分析
• 4.3.1 计算原型及计算范围
• 4.3.2 有限元模型及计算参数
• 4.3.3 计算边界条件
• 4.3.4 渗流场～应力场耦合计算结果分析
• 4.3.5 施工期现场测试结果与液固耦合计算的对比分析
• 4.4 水下盾构隧道施工期主体结构安全性评价
• 4.5 本章小结
• 第5章 寒区隧道热液固耦合问题及温度场数值模拟研究
• 5.1 寒区隧道的热液固耦合机理
• 5.1.1 寒区隧道的热液固耦合问题
• 5.1.2 寒区隧道热液固耦合作用机理
• 5.2 寒区隧道温度场分布规律及影响因素
• 5.2.1 寒区隧道温度场分布规律
• 5.2.2 影响隧道温度场分布的其它因素
• 5.3 寒区隧道伴相变非稳态温度场数值模拟研究
• 5.3.1 隧道围岩及结构热物理力学特性
• 5.3.2 寒区隧道伴相变瞬态温度场的数值模拟
• 5.4 本章小结
• 第6章 寒区隧道保温层材料及厚度的热液固三场耦合研究
• 6.1 寒区隧道的抗防冻措施
• 6.1.1 隧道冻害的预防措施
• 6.1.2 寒区公路隧道的抗防冻措施
• 6.2 寒区隧道保温材料及厚度的相变温度场研究
• 6.2.1 保温材料的选取
• 6.2.2 保温层厚度的相变温度场数值模拟研究
• 6.3 寒区隧道保温材料及厚度的热液固耦合效应研究
• 6.3.1 寒区隧道热液固耦合的数学模型
• 6.3.2 寒区隧道保温材料及厚度的热液固数值分析
• 6.4 热液固耦合分析在鹧鸪山隧道中的应用
• 6.4.1 保温材料及厚度的仿真模拟结果
• 6.4.2 保温材料及厚度的现场试验验证
• 6.5 本章小结
• 结论及展望
• 主要研究结论
• 进一步工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论著及科研成果
• 攻读博士学位期间科研项目鉴定及获奖情况