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原文传递群洞条件下寒区隧道力学性能及渗流应力耦合研究

论文题名：	群洞条件下寒区隧道力学性能及渗流应力耦合研究
关键词：	群洞条件;寒区隧道;力学性能;渗流分析;渗流-应力耦合
摘要：	寒区隧道因其所处地理环境恶劣，施工及运营过程中面临较多困难，已逐步成为我国基础建设中较为特殊的工程。通常情况下，隧址区地理环境均为高海拔山岭，隧道施工及运营阶段均受到地下水渗流问题的影响，从而常发生工程灾害及缩短隧道使用年限。由于寒区隧道需修建防寒泄水洞等排水设施，且隧道施工时为了缩短工期，会适时增加施工开挖面而设计平行导洞，每个隧道均有其特殊用途。相比于单洞隧道，群洞条件下各隧道施工将对围岩产生多次扰动，对邻近隧道结构受力及变形产生较大影响。研究群洞条件下隧道施工过程中的围岩应力变化特征与变形分布以及渗流-应力耦合对于实际工程的合理设计、安全施工及运营具有一定的指导作用。　　本文以敦煌至格尔木铁路当金山隧道为背景，选取同时包含主隧道、平导及防寒泄水洞的施工段进行研究。系统地介绍了渗流发展的研究现状及方法，渗流场与应力场的相互影响以及渗流-应力耦合计算的发展现状。基于国内外学者关于渗流场-应力场耦合研究的理论，利用MIDAS/GTS有限元软件建立群洞条件下的三维数值模型，通过分析研究群洞条件下，应力场单独作用、渗流场单独作用及渗流场-应力场耦合作用时隧道结构力学性能。得到如下结论: 　　(1)隧道不同围岩属性及断面尺寸决定了其施工方式，而不同施工方式对隧道结构的力学性能及施工进度均有不同影响。本文分别通过台阶法及全断面法单、双向施工时的围岩位移、应力、锚杆轴力、初期支护应力及围岩塑性区变化情况研究了隧道的力学性能。　　(2)无论水平位移或竖向位移，单向施工对围岩位移的影响较双向小，双向施工时竖向位移较单项施工增大5-8％。四种开挖方式时的等效塑性应变最大值均位于防寒泄水洞边墙处，且台阶法施工时等效塑性应变较全断面法小。　　(3)台阶法施工时隧道受力较为合理，且四种开挖方式时的围岩大主应力最大值均位于防寒泄水洞拱底处，最小值均位于主隧道左拱脚处。全断面法双向施工时主隧道拱脚处压应力较单向施工小8.2％;台阶法双向施工时主隧道拱脚处压应力较单向施工小13.4％; 　　(4)四种开挖方式时的锚杆所受拉力最大值均小于锚杆极限拉力值，台阶法施工时衬砌拱顶处出现拉应力，其值趋于C25混凝土抗拉强度。在隧道设计施工时，应增加衬砌厚度或提高混凝土强度，以保证隧道安全施工及运营。　　(5)防寒泄水洞位于主隧道拱底5m、左侧19m处时主隧道及防寒泄水洞变形相对合理且满足最大冻结深度要求。因此，在考虑加快隧道施工进程的基础上，对于Ⅲ级及其以下等级的围岩，台阶法双向开挖既能加快施工进度，又可一定程度上保证隧道安全性。　　(6)在最优注浆圈厚度为2m，围岩渗透系数分别为0.00029m/d，0.00085m/d，0.00334m/d条件下，分别施加不同渗透系数注浆圈进行渗流场分析。可知高水平注浆圈相当于在隧道开挖断面周围形成一层防渗保护层，最大限度地减小了隧道施工过程中各洞的渗流速度及渗透流量。无论对于施工期隧道还是运营期隧道，施加注浆圈对于隧道稳定性及支护结构受力特征等方面影响重大。　　(7)通过对比分析非耦合与渗流-应力耦合时隧道结构受力特征可知，渗流场对于隧道竖向位移影响较大。耦合情况下拱顶处竖向位移沉降量比非耦合情况增大25.7％。渗流场对于围岩结构影响亦较大，加之开挖过程中对围岩的扰动作用导致支护结构受力较大，对于隧道安全施工及长久运营较为不利。因此，在隧道支护结构及安全施工设计时，切不可忽略渗流场对应力场的影响。
作者：	刘利玮
专业：	水工结构工程
导师：	何文社
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文