高水压铁路隧道泄水式管片衬砌壁后水压分布规律研究

论文摘要

当前,随着我国铁路隧道工程的迅速发展,特别是由于越来越多隧道工程将穿越山岭重丘地区,其中往往面临着高水压问题,这已成为许多铁路隧道的关键问题所在,在当前显得越来越突出。另外,随着隧道掘进机法的日益发展,为充分发挥其优点,与之对应的隧道结构较多采用装配式预制管片衬砌。综合以上情况,笔者应对高水压隧道提出采用装配式泄水式管片衬砌的理念,而目前针对泄水式管片衬砌结构的泄水方案优劣,壁后水压分布规律以及泄流量大小等问题缺乏理论研究及技术支撑。泄水式管片衬砌是一种在常规管片衬砌基础上改进的结构型式,其可用于TBM施工的高水压隧道工程。以国家自然科学基金项目——“高水压铁路隧道泄水式管片衬砌荷载及力学特性研究”为依托,以向莆铁路某高水压铁路隧道为对象工程,采用计算机有限差分软件数值模拟和室内相似模型试验为研究手段,基于裂隙岩体连续介质流固耦合分析模型,研究了不同泄水方案下衬砌壁后水压力和围岩水压力分布形态,并进行不同泄水方案下泄流量的对比。研究工作主要包括：(1)对高水压隧道泄水式管片衬砌水压分布进行了理论分析,并应用于实际工程,运用衬砌壁后孔隙水压力理论分析注浆圈与隧道排水量之间的关系,隧道排水量与外水压力之间的关系,注浆圈外水压力与注浆圈半径的关系；运用衬砌外荷载理论分析围岩渗透系数与最大可泄流量的关系,衬砌壁后接触应力与衬砌控制泄流量的关系等。(2)在分析国内外渗流场与应力场双场耦合的理论基础上,结合有限差分法计算原理,提出了适应高水压山岭隧道特点的流固耦合力学分析模型及其合理边界条件。(3)基于流固耦合理论,对泄水式管片衬砌不同泄水方案下的管片衬砌围岩内渗流场与应力场进行双场耦合数值分析,包括等泄水面积但不同泄水孔数量,不同泄水孔高度,设置错高度泄水孔以及不同水位线高度等多种工况,进行渗流场分布规律分析及泄流量分析。(4)采用1：50的几何相似比和1：1的容重相似比,制作泄水式管片衬砌模型试验箱,进行室内相似模型试验,研究泄水式管片衬砌在不同泄水方案下衬砌壁后水压分布规律及其与泄流量的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 高水压隧道衬砌外水压力研究
• 1.2.2 高水压隧道渗流场数学模型研究
• 1.2.3 高水压隧道渗流场模型试验研究
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究技术路线
• 1.4 对象工程概况
• 第2章 泄水式管片衬砌水压力分布解析理论
• 2.1 衬砌壁后孔隙水压力理论
• 2.2 衬砌壁后孔隙水压力理论的应用
• 2.2.1 外水压力折减系数研究
• 2.2.2 注浆圈与隧道排水量之间的关系研究
• 2.2.3 隧道排水量与外水压力之间的关系研究
• 2.3 基于水荷载为渗透体积力和面力的衬砌外荷载理论
• 2.4 衬砌外荷载理论的工程应用
• 2.4.1 围岩渗透系数与最大可泄流量之间的关系
• 2.4.2 衬砌壁后接触应力与衬砌控制泄流量的关系
• 2.4.3 围岩条件对衬砌壁后有效应力和接触应力的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 泄水式管片衬砌流固祸合数值分析理论
• 3.1 渗流场理论基础
• 3.1.1 孔隙岩体连续介质渗流数学模型
• 3.1.2 裂隙岩体等效连续介质渗流数学模型
• 3.2 裂隙岩体渗流场与应力场的藕合机理
• 3.2.1 渗流场对应力场的影响
• 3.2.2 应力场对渗流场的影响
• 3.3 渗流场与应力场藕合分析的数学模型
• 3.3.1 应力场影响下的渗流场数学模型
• 3.3.2 渗流影响下的应力场数学模型
• 3.3.3 渗流场与应力场藕合的数值求解
• 3.4 有限差分法渗流场与应力场的藕合分析原理
• 3.5 本章小结
• 第4章 泄水式管片衬砌水压力分布规律的数值分析
• 4.1 概述
• 4.2 有限差分模型
• 4.2.1 模型介绍
• 4.2.2 物理力学参数
• 4.3 不同泄水方案下的水压力分析
• 4.3.1 泄水孔数量对水压力的影响
• 4.3.2 泄水孔高度对水压力的影响
• 4.3.3 错高度泄水孔对水压力的影响
• 4.3.4 水头高度对水压力的影响
• 4.4 不同泄水方案下的泄流量分析
• 4.4.1 注浆圈对泄流量的影响
• 4.4.2 泄水孔数量对泄流量的影响
• 4.4.3 错高度泄水孔对泄流量的影响
• 4.4.4 水头高度对泄流量的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 泄水式管片衬砌水压力分布规律的相似模型试验
• 5.1 模型试验意义和目的
• 5.2 相似理论基础
• 5.2.1 相似三定理
• 5.2.2 相似准则推导
• 5.3 模型相似比的推导及选择
• 5.3.1 模型相似比的推导
• 5.3.2 模型相似比的选择
• 5.4 试验准备工作
• 5.4.1 试验内容
• 5.4.2 模型试验装置设计
• 5.4.3 模型试验材料的选择
• 5.4.4 试验测点布置
• 5.4.5 试验步骤
• 5.4.6 试验分组
• 5.5 试验数据分析
• 5.5.1 全封堵方式下衬砌壁后水压力分布
• 5.5.2 单纯泄水方式下衬砌外水压力分布
• 5.5.3 堵水限排方式下衬砌外水压力分布
• 5.5.4 衬砌外水压力与泄流量的关系
• 5.6 模型试验结论与解析解数值解的对比
• 5.7 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目