高水压铁路隧道泄水式管片衬砌壁后水压分布规律研究

【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。