岩溶隧道衬砌水压及变形监测模型试验研究
发布时间：2020-12-13 05:20
我国是世界上岩溶地区分布最广的国家,随着国家经济的快速发展,交通路网得到不断地完善,其中已修建的岩溶隧道也越来越多,在长期岩溶水压作用下运营岩溶隧道的病害问题也日益凸显,严重威胁着隧道的运营安全。然而,当前的研究主要集中于施工期间岩溶隧道超前地质预报、施工安全及岩溶揭示后处治技术方面,针对运营岩溶隧道病害方面的研究还相对较少。通过对运营岩溶隧道病害的调研可知,降雨等引发的突变水压力是导致岩溶隧道病害的主要因素,因此,以郑万铁路岩溶隧道富水区隧道为工程背景,研发了一套模拟高水位地下水、围岩、管道型溶腔装置、防排水系统、衬砌结构等模型试验系统。基于此,本文将通过数值模拟、模型试验等方法研究岩溶地区隧道运营过程中,突发岩溶水时,含有充填型或管道型溶腔的富水岩溶隧道在不同水头,不同排水条件,溶腔位于不同位置时,衬砌背后的水压力作用大小及分布规律以及隧道衬砌内力变化规律。其主要内容和成果如下:(1)通过充填型溶腔模型试验,以Ⅴ级围岩为基础,同时考虑不同的围岩埋深、岩溶水初始水头高度、防排水型式等,研究不同工况下运营岩溶隧道衬砌背后的水压分布规律,得出了,常规排水情况下对隧道边墙角处水压有明显降低...
【文章来源】：石家庄铁道大学河北省
【文章页数】：130 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
山岭隧道常规防排水系统示意图
-8-2.1.2富水岩溶隧道优化排水布置方案对于一般山岭隧道而言，由于地下水量有限，隧道内排水系统的排水能力大于隧道涌水量，隧道周边围岩内的地下水通过衬砌背后的环向排水管及纵向排水管汇聚至隧道中心排水沟内，并最终排出隧道外。对于非岩溶区段的隧道而言，隧道围岩渗透系数较小，地表降雨对隧道影响较小，隧道周围的地下水量也较小，流向隧道的地下水可以全部被排出隧道。因此，地下水量不大的山岭隧道采用常规的半包半排防排水方式可以满足隧道排水的要求。然而，对于富水岩溶隧道而言，围岩渗透系数较大，隧道周围的围岩裂隙水受地表降雨补给十分明显，常规半包半排防排水方式在富水岩溶隧道中需要进一步改进。为了便于隧道的设计和施工，对隧道防排水系统的优化应尽量避免大幅改变现有的防排水方案。优化排水方案是在常规防排水方案的基础上，将隧道中心排水沟由仰拱内移动至仰拱底部(如图2-2所示)，同时延长环向排水盲管至中心水沟，将环向排水管中的岩溶水直接从上部汇入中心排水沟，更利于隧道岩溶水的排出。图2-2富水岩溶隧道防排水优化方案示意图2.1.3模型试验的工程背景以时速350km/h客运专线双线郑万铁路Ⅴ级围岩隧道复合式衬砌断面为工程背景，考虑到郑万铁路地质构造特征和水文地质特征情况复杂，不能全部用
-9-于进行模型试验，所以选取围岩级别较差情况五级围岩，同时考虑最不利天气情况，岩溶隧道遇到突降暴雨时，降雨等引发的突变水压力对岩溶隧道的影响。本论文中模型试验是依据此背景情况设计。断面图如图2-3所示。二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱墙厚50cm，仰拱厚60cm。防水板厚度均为3mm，排水管直径为10cm，中心排水沟直径60cm，材料参数如表2-1所示。图2-3350km/h客运专线双线铁路Ⅴ级围岩隧道复合式衬砌断面图表2-1材料的参数取值材料弹性模量E/Gpa容重γ/(kN/m3)泊松比υ粘聚力c/MPa内摩擦角φ/0渗透系数K(m/s)隧道围岩1.817.50.40.05~0.220~272e-6初期支护23220.20——2e-8二次衬砌32250.20——2e-10环向排水管0.659.320.20——0.04中心排水沟21220.20——0.04防水板0.0659.80.25——4e-11无纺布0.06560.25——8e-6
【参考文献】：
期刊论文
[1]Energy analysis of rock plug thickness in karst tunnels based on non-associated flow rule and nonlinear failure criterion[J]. 杨子汉,张睿,许敬叔,杨小礼. Journal of Central South University. 2017(12)
[2]岩溶隧道承压隐伏溶洞突水模型试验与数值分析[J]. 潘东东,李术才,许振浩,李利平,路为,林鹏,黄鑫,孙尚渠,高成路. 岩土工程学报. 2018(05)
[3]不同排水孔失效长度下岩溶隧道衬砌结构受力分析[J]. 李延川,王森,钟祖良. 地下空间与工程学报. 2017(S2)
[4]基于长期监测的高水压岩溶隧道二次衬砌水压特征研究[J]. 申志军. 铁道学报. 2015(11)
[5]大跨度岩溶隧道施工工法比选[J]. 陈明奎,申玉生,侯瑞彬. 公路工程. 2014(02)
[6]浅埋偏压隧道衬砌受力特征及破坏机制试验研究[J]. 雷明锋,彭立敏,施成华,王立川,刘正初. 中南大学学报(自然科学版). 2013(08)
[7]隧道及地下工程施工中岩溶裂隙水及断层、溶洞等隐患的探查、预报[J]. 钟世航,孙宏志,李术才,李貅,王荣. 岩石力学与工程学报. 2012(S1)
[8]隧道底部隐伏空腔充水对二次衬砌内力影响研究[J]. 莫阳春. 水文地质工程地质. 2011(05)
[9]宜万铁路岩溶隧道防排水原则及技术研究[J]. 王秀英,谭忠盛,王梦恕,张民庆. 中国工程科学. 2010(08)
[10]浅谈公路岩溶隧道施工技术管理[J]. 周小飞,武科,马明月. 地下空间与工程学报. 2010(03)
博士论文
[1]基坑开挖与降水对支护结构受力及地面变形影响的研究[D]. 相兴华.太原理工大学 2013
[2]岩溶隧道防突厚度及突水机制研究[D]. 郭佳奇.北京交通大学 2011
[3]高水压充填型岩溶隧道稳定性研究[D]. 莫阳春.西南交通大学 2009
[4]高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究[D]. 高新强.西南交通大学 2005
[5]圆梁山隧道岩溶突水机理及其防治对策[D]. 刘招伟.中国地质大学 2004
硕士论文
[1]贯通裂隙岩体隧道衬砌水压力特征三维试验研究[D]. 李文魁.石家庄铁道大学 2017
[2]城市轨道交通富水岩溶隧道衬砌外水压力及结构受力研究[D]. 王森.重庆大学 2015
[3]高水压岩溶隧道衬砌结构受力特征和防排水设计研究[D]. 王一鸣.中南大学 2014
[4]大跨地铁车站施工力学行为模型试验研究[D]. 王福文.石家庄铁道大学 2014
[5]岩溶隧道施工灾害预警技术研究[D]. 冯荣.西南交通大学 2013
[6]齐岳山隧道衬砌水压力特征与岩溶处治技术研究[D]. 朱海涛.北京交通大学 2011
[7]岩溶公路隧道围岩—支护结构受力特性数值模拟分析[D]. 李贻伟.重庆交通大学 2010
[8]高水压岩溶隧道衬砌水压力特征研究[D]. 袁慧.北京交通大学 2009
[9]水压充填型岩溶隧道突水机理及衬砌结构力学特性研究[D]. 聂志凌.西南交通大学 2009
[10]隧道不透水层确定方法模型试验研究[D]. 王飞.西南交通大学 2006
本文编号：2913976
【文章来源】：石家庄铁道大学河北省
【文章页数】：130 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
山岭隧道常规防排水系统示意图
-8-2.1.2富水岩溶隧道优化排水布置方案对于一般山岭隧道而言，由于地下水量有限，隧道内排水系统的排水能力大于隧道涌水量，隧道周边围岩内的地下水通过衬砌背后的环向排水管及纵向排水管汇聚至隧道中心排水沟内，并最终排出隧道外。对于非岩溶区段的隧道而言，隧道围岩渗透系数较小，地表降雨对隧道影响较小，隧道周围的地下水量也较小，流向隧道的地下水可以全部被排出隧道。因此，地下水量不大的山岭隧道采用常规的半包半排防排水方式可以满足隧道排水的要求。然而，对于富水岩溶隧道而言，围岩渗透系数较大，隧道周围的围岩裂隙水受地表降雨补给十分明显，常规半包半排防排水方式在富水岩溶隧道中需要进一步改进。为了便于隧道的设计和施工，对隧道防排水系统的优化应尽量避免大幅改变现有的防排水方案。优化排水方案是在常规防排水方案的基础上，将隧道中心排水沟由仰拱内移动至仰拱底部(如图2-2所示)，同时延长环向排水盲管至中心水沟，将环向排水管中的岩溶水直接从上部汇入中心排水沟，更利于隧道岩溶水的排出。图2-2富水岩溶隧道防排水优化方案示意图2.1.3模型试验的工程背景以时速350km/h客运专线双线郑万铁路Ⅴ级围岩隧道复合式衬砌断面为工程背景，考虑到郑万铁路地质构造特征和水文地质特征情况复杂，不能全部用
-9-于进行模型试验，所以选取围岩级别较差情况五级围岩，同时考虑最不利天气情况，岩溶隧道遇到突降暴雨时，降雨等引发的突变水压力对岩溶隧道的影响。本论文中模型试验是依据此背景情况设计。断面图如图2-3所示。二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱墙厚50cm，仰拱厚60cm。防水板厚度均为3mm，排水管直径为10cm，中心排水沟直径60cm，材料参数如表2-1所示。图2-3350km/h客运专线双线铁路Ⅴ级围岩隧道复合式衬砌断面图表2-1材料的参数取值材料弹性模量E/Gpa容重γ/(kN/m3)泊松比υ粘聚力c/MPa内摩擦角φ/0渗透系数K(m/s)隧道围岩1.817.50.40.05~0.220~272e-6初期支护23220.20——2e-8二次衬砌32250.20——2e-10环向排水管0.659.320.20——0.04中心排水沟21220.20——0.04防水板0.0659.80.25——4e-11无纺布0.06560.25——8e-6
【参考文献】：
期刊论文
[1]Energy analysis of rock plug thickness in karst tunnels based on non-associated flow rule and nonlinear failure criterion[J]. 杨子汉,张睿,许敬叔,杨小礼. Journal of Central South University. 2017(12)
[2]岩溶隧道承压隐伏溶洞突水模型试验与数值分析[J]. 潘东东,李术才,许振浩,李利平,路为,林鹏,黄鑫,孙尚渠,高成路. 岩土工程学报. 2018(05)
[3]不同排水孔失效长度下岩溶隧道衬砌结构受力分析[J]. 李延川,王森,钟祖良. 地下空间与工程学报. 2017(S2)
[4]基于长期监测的高水压岩溶隧道二次衬砌水压特征研究[J]. 申志军. 铁道学报. 2015(11)
[5]大跨度岩溶隧道施工工法比选[J]. 陈明奎,申玉生,侯瑞彬. 公路工程. 2014(02)
[6]浅埋偏压隧道衬砌受力特征及破坏机制试验研究[J]. 雷明锋,彭立敏,施成华,王立川,刘正初. 中南大学学报(自然科学版). 2013(08)
[7]隧道及地下工程施工中岩溶裂隙水及断层、溶洞等隐患的探查、预报[J]. 钟世航,孙宏志,李术才,李貅,王荣. 岩石力学与工程学报. 2012(S1)
[8]隧道底部隐伏空腔充水对二次衬砌内力影响研究[J]. 莫阳春. 水文地质工程地质. 2011(05)
[9]宜万铁路岩溶隧道防排水原则及技术研究[J]. 王秀英,谭忠盛,王梦恕,张民庆. 中国工程科学. 2010(08)
[10]浅谈公路岩溶隧道施工技术管理[J]. 周小飞,武科,马明月. 地下空间与工程学报. 2010(03)
博士论文
[1]基坑开挖与降水对支护结构受力及地面变形影响的研究[D]. 相兴华.太原理工大学 2013
[2]岩溶隧道防突厚度及突水机制研究[D]. 郭佳奇.北京交通大学 2011
[3]高水压充填型岩溶隧道稳定性研究[D]. 莫阳春.西南交通大学 2009
[4]高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究[D]. 高新强.西南交通大学 2005
[5]圆梁山隧道岩溶突水机理及其防治对策[D]. 刘招伟.中国地质大学 2004
硕士论文
[1]贯通裂隙岩体隧道衬砌水压力特征三维试验研究[D]. 李文魁.石家庄铁道大学 2017
[2]城市轨道交通富水岩溶隧道衬砌外水压力及结构受力研究[D]. 王森.重庆大学 2015
[3]高水压岩溶隧道衬砌结构受力特征和防排水设计研究[D]. 王一鸣.中南大学 2014
[4]大跨地铁车站施工力学行为模型试验研究[D]. 王福文.石家庄铁道大学 2014
[5]岩溶隧道施工灾害预警技术研究[D]. 冯荣.西南交通大学 2013
[6]齐岳山隧道衬砌水压力特征与岩溶处治技术研究[D]. 朱海涛.北京交通大学 2011
[7]岩溶公路隧道围岩—支护结构受力特性数值模拟分析[D]. 李贻伟.重庆交通大学 2010
[8]高水压岩溶隧道衬砌水压力特征研究[D]. 袁慧.北京交通大学 2009
[9]水压充填型岩溶隧道突水机理及衬砌结构力学特性研究[D]. 聂志凌.西南交通大学 2009
[10]隧道不透水层确定方法模型试验研究[D]. 王飞.西南交通大学 2006
本文编号：2913976
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