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高水压隧道渗流场的流固耦合研究

吴金刚  
【摘要】: 为了研究高水压隧道渗流场的分布规律,本文利用理论解析、数值模拟、模型试验和现场测试等多种手段,对其进行了全面系统的研究,取得了一些有意义的研究成果,并依托铁道部研究课题“宜万铁路齐岳山隧道衬砌水压力特征研究”和厦门路桥公司科研项目“应力场、渗流场组合作用下衬砌结构受力特征及断面优化的模型试验研究”进行了工程应用。本文主要开展了以下几方面的研究工作: (1)提出将隧道的渗流过程区分为稳定流和非稳定流两个阶段的研究思路。在非稳定流阶段,围岩变形和渗流场的重新分布同时进行且相互影响,须考虑流、固耦合作用对渗流场分布的影响;而在稳定流阶段,围岩变形和渗流场分布趋于稳定,不再发生变化,此时可不考虑其间的相互影响作用,从而不予考虑流、固耦合作用对渗流场分布的影响。 (2)利用复变函数方法与抽水井的“圆岛模型”,运用解析解的方法系统的研究了均匀介质中稳定流的渗流场分布,给出了高水压岩溶隧道周边地层水压分布规律计算公式。并通过数值模拟进行计算对比,验证了本文解析解的正确性。此外,本文还推导了不良地质围岩中(含溶洞、断层和隔水层)渗流场的计算公式。 (3)研究了流、固耦合条件下等效连续介质中渗流场分布的数学模型,并对围岩应力作用下渗流场参数的变化进行了研究,提出将耦合后的渗流参数代入稳定流方程,计算耦合作用结束后的稳定流渗流场的研究方法。 (4)通过数值模拟,分析了稳定流和非稳定流的渗流场和结构受力规律。在稳定流分析中,研究了隧道涌水量和注浆圈参数之间的关系,如注浆厚度、注浆圈渗透系数以及不同排水量,得到了衬砌背后水压力和排水量的关系曲线;在非稳定流计算中,研究了流、固耦合条件下不良地质条件围岩中的渗流场分布,对“支护紧跟”和“支护滞后”两种情况下围岩地表变形和衬砌结构受力等进行了对比,最后通过数值模拟对比研究双场叠加和双场耦合的不同作用,得到耦合远比叠加作用危险的结论。 (5)以模型试验为手段,进行了厦门海底隧道渗流场和衬砌结构受力特征进行了试验研究。得到了隧道断面注浆圈内、外侧水压力的分布规律;对结构受力变形特征进行了试验测试,得到衬砌的受力变形规律,并对测试结果进行了数值分析验证。 (6)对齐岳山隧道的衬砌背后水压力和隧道涌水量进行了现场量测试验。但由于隧道还处于施工中,衬砌背后水压力还没有形成,本部分的工作还需要进一步完善。


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