隧道渗透水压力的研究及工程应用

论文摘要

在新建铁路、公路工程中,经常修筑一些穿越高水位富水区地层的深埋隧道。隧道施工对地下水采取“以排为主”,设计时一般不考虑衬砌水压力。但长期大量排水会使原有的地下水平衡遭到破坏,诱发严重的环境问题。现在修建此类隧道时,一般应根据隧道周围环境的要求,采取“以堵为主,限量排放”,也就是“控制排放”的防排水设计原则,这时隧道衬砌结构将受到较高的外水压力。隧道的高外水压力问题已成为目前隧道设计和施工中亟待解决的难题。如何在不影响生态环境的条件下,安全、可靠地进行隧道设计和施工,其中关键的问题就是正确确定衬砌的外水压力。本文运用地下水渗流场分析原理,通过对外水压力及其分布规律的研究,主要得出了以下结论:①针对具有加固圈的圆形隧道,假定衬砌、加固圈和围岩中的渗流为径向稳定渗流场,基于极坐标下的渗流分析原理推导了隧道衬砌、加固圈和围岩中的渗透水压力公式。②以方斗山隧道工程为实例,用前面推导的公式算出了作用在衬砌上的外水压力,得出作用于隧道衬砌、围岩和加固圈中的渗透水压力分布规律具有非线性特征,并证实设置围岩加固圈可以减少作用在衬砌上的外水压力。③针对存在自由面的稳态非径向渗流,利用ANSYS软件中热与结构分析功能对方斗山隧道的地下水渗流场进行模拟计算,得出地下水渗流的浸润线、各处的水头分布、指定路径上的渗流速度变化、隧道结构与围岩中的渗透水压力分布以及渗流对围岩与衬砌中位移和应力分布的影响等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 渗流分析方法的发展过程
• 1.1.1 以工程—试验方法为主要研究手段的初始阶段
• 1.1.2 以严格定量的解析数学方法为主要研究手段的发展阶段
• 1.1.3 当前以数值模拟技术为主要研究手段的深化阶段
• 1.2 地下水渗流研究概况
• 1.2.1 裂隙岩体渗流分析的发展过程
• 1.2.2 裂隙岩体渗流研究的历史与现状
• 1.2.3 目前存在的问题
• 1.3 地下水渗流对隧道工程的影响
• 1.3.1 渗流对隧道衬砌的作用力
• 1.3.2 渗流对围岩应力的影响
• 1.3.3 围岩应力对渗流的作用
• 1.3.4 岩体的渗流场与应力场相互耦合作用
• 1.3.5 地下水对隧道稳定性的影响
• 1.4 问题的提出及本文研究的主要内容
• 1.4.1 问题的提出
• 1.4.2 本文研究的主要内容
• 第二章 渗流力学基本理论
• 2.1 达西渗流定律
• 2.2 渗透系数
• 2.3 渗流的连续方程
• 2.4 渗流基本微分方程
• 2.5 渗流势函数和流函数
• 2.6 基本微分方程的定解条件
• 2.7 渗流力和临界坡降
• 2.7.1 渗流力
• 2.7.2 临界坡降和涌砂
• 2.8 本章小结
• 第三章 隧道衬砌水压力分析
• 3.1 渗透水压力解析研究
• 3.1.1 隧道衬砌、加固圈和围岩中的渗透水压力分布规律
• 3.1.2 影响隧道衬砌水压力的因素
• 3.2 方斗山隧道衬砌应力计算
• 3.2.1 方斗山隧道工程概况
• 3.2.2 隧道衬砌水压力
• 3.2.3 通过周边位移反分析作用在衬砌上的压力
• 3.3 本章小结
• 第四章 隧道渗流有限元法分析及其原理
• 4.1 有限元分析基本思想
• 4.2 有自由面渗流的分析
• 4.2.1 有自由面渗流场数值分析的研究现状
• 4.2.2 单元传导矩阵调整法
• 4.2.3 岩体饱和度与渗透系数的关系
• 4.2.4 饱和带及非饱和带的渗流分析
• 4.2.5 渗流边界条件
• 4.3 ANSYS 软件在隧道渗流分析中的应用
• 4.3.1 大型有限元分析软件ANSYS 简介
• 4.3.2 ANSYS 参数化设计语言
• 4.3.3 渗流场与温度场的相似性
• 4.3.4 单元介绍
• 4.3.5 耦合场分析
• 4.3.6 顺序耦合场分析
• 4.3.7 浸润面的确定
• 4.4 本章小结
• 第五章 方斗山隧道渗流场与应力场耦合数值模拟
• 5.1 基本模型
• 5.1.1 基本假定
• 5.1.2 计算范围
• 5.1.3 计算参数设定
• 5.2 渗流分析结果
• 5.3 应力分析结果
• 5.3.1 围岩
• 5.3.2 衬砌
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果