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原文传递富水地层隧道排水系统堵塞诱发衬砌力学损伤机理研究

论文题名：	富水地层隧道排水系统堵塞诱发衬砌力学损伤机理研究
关键词：	富水地层隧道;排水系统堵塞;衬砌损伤;流固耦合
摘要：	近年来随着我国地下工程的蓬勃发展，隧道运营数量及规模已跃居世界前列。然而，随着隧道运营年限的增长，衬砌开裂、渗漏水等病害问题随之而来。排水系统堵塞会使衬砌背后水流淤积，导致水压力升高，继而引发衬砌开裂、渗漏水。本文依托浙江省宁波市交通运输科技项目:新型复合式隧道防排水系统的研发与应用项目(201906)，基于文献查阅、现场调研、数值模拟、模型试验等方法研究了富水地层公路隧道排水系统堵塞工况下衬砌结构损伤演化过程，主要研究成果如下: 　　(1)依托浙江省宁波市某地区富水地层山岭隧道病害调查对其衬砌裂缝、渗漏水情况统计分析。研究结果表明:拱脚为衬砌结构开裂的主要部位，且衬砌开裂是引发隧道结构渗漏水的重要原因。由现场结晶析出物推测病害是由排水系统排水不畅，大量地下水在衬砌背后淤积造成水压力增加，最终导致的衬砌结构开裂渗漏等病害问题，此外，通过相关文献查阅的方式，对隧道排水系统堵塞机理及成因进行了归纳总结。　　(2)基于数值模拟方法对不同地下水位与不同堵塞程度工况下的衬砌结构的渗流-应力-损伤演化规律展开研究，分析了排水系统堵塞过程中隧道衬砌结构渐进式破坏规律，结果表明:1）对于水压力分布，衬砌背后水压力随排水管堵塞程度增加而增大，且拱脚部位增幅最为显著，完全堵塞后衬砌水压分布近似呈“静水压型”。2）衬砌结构边墙及仰拱部位分别为隧道水平位移及竖向位移变化显著部位，水位线高度与结构位移变化近似呈线性相关规律，且位移增量:竖向位移＞水平位移。3）随着堵塞程度加剧，衬砌拱脚区域应力集中现象愈发显著，地下水头高度达到40m后拱脚部位内外侧分别出现不同程度的受压损伤及受拉损伤。由于受拉损伤数值大于临界破坏值，而受压损伤小于临界破坏值，因此排水系统堵塞对衬砌结构受拉破坏影响程度远大于受压破坏。　　(3)通过室内相似模型试验，以地下水头高度、排水系统堵塞程度为变量，对不同工况下隧道衬砌结构水压力及力学损伤机理展开研究，结果表明:1）排水系统堵塞程度增加及地下水位升高均会导致衬砌背后承受水压增加。2）隧道衬砌结构各部位内力随水头高度的增加而呈整体增大的趋势，其中拱脚部位增幅最为显著，当水头高度上升至30m后，拱脚开裂扩展，拱脚部位内力突变，此后隧道各部位随着裂缝扩展相继发生应力重分布现象。　　(4)通过有限元软件ABAQUS与室内相似模型试验结果对比，两种方法所得结果规律基本一致，验证了试验结果的合理性。在此基础上，针对排水系统堵塞导致衬砌结构损伤破坏问题，设计了一种在隧道拱脚部位安装新型透排水管的排水泄压装置，现场结果表明其具有良好的排水泄压能力。
作者：	徐晴
专业：	建筑与土木工程
导师：	张素磊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2022