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原文传递富水区公路隧道抗水压结构及其安全性分析研究

论文题名：	富水区公路隧道抗水压结构及其安全性分析研究
关键词：	富水公路隧道;堵水限排;抗水压结构;受力分析;安全系数
摘要：	随着隧道建设需求的持续增加，大量公路隧道需修筑在富水地区。目前，“堵水限排”为富水隧道的治水理念，该理念要求工程师们充分考虑隧道结构的抗水压能力。当前隧道抗水压结构往往限定由“初期支护+二次衬砌”组成，但事实上这种单一的抗水压结构不能保证隧道长期安全。论文以南两路春天门隧道为依托工程，采用理论解析、文献调研及数值模拟等研究手段，围绕富水区公路隧道抗水压结构及其安全性开展了相关研究。主要工作与研究结论如下：　　（1）对近年来国内富水公路隧道高水压破坏案例进行了调查分析，揭示了富水隧道地下水来源及赋存形式；归纳总结了高水压破坏的主要形式及成因。　　（2）阐述了抗水压结构的组成及特点，总结出注浆圈起到堵水减压的作用；初期支护和注浆圈共同保障隧道施工期的安全；洞身排水网络系统起排放和疏导地下水的作用，二次衬砌承受因环境变化、排水不畅等原因而形成的水压。“堵水限排”下富水隧道应将上述四部分相结合作为抗水压结构；通过隧道水荷载的理论解析解、已有渗流试验值及数值解相互对比，验证了FLAC3D数值模型的准确性。　　（3）采用数值模拟方法研究了不同注浆参数、堵排方式下注浆圈的堵水减压效果。结果表明：只有考虑隧道排水时，注浆圈才具有堵水减压的作用；增大注浆圈厚度或降低其渗透系数可以减小隧道渗流量和支护结构水荷载，增强注浆圈堵水减压的效果；随着其堵水减压效果的增强，衬砌结构外水压力和内力均得到了折减，衬砌仰拱处内力的折减效果最好，达到50%～60%；注浆圈厚度5m、渗透系数比nk=1/50时，可抵抗55%～60%水压力，此时堵水减压效果较好且较为经济。　　（4）研究了初期支护参数对结构安全性的影响。结果表明：初期支护能协同注浆圈起到堵水的作用，初期支护的厚度增大或渗透系数减小能使初期支护水荷载增大、渗流量减小及衬砌安全性提高；初期支护设计时应考虑承受一定水压力。　　（5）采用“荷载－结构”模型对全断面承压下的抗水压衬砌结构进行了分析，得到了衬砌结构的受力特性及安全性。结果表明：在“安全实用、质量可靠、经济合理”原则下，按照水压力等级设计的衬砌结构满足设计需求，衬砌应根据富水段水压进行分段设计；衬砌结构处于全截面受压状态，拱脚处弯矩和轴力值最大，安全系数最小，为结构的最薄弱处；近圆形的衬砌结构能够较好地承受外水压力。　　（6）采用ANSYS有限元软件建立数值模型，研究了局部承压下衬砌结构受力特性及安全性，获得了不同水压简化形式、水压作用位置下衬砌结构受力特性及安全性。结果表明：水压简化形式对衬砌局部内力影响显著，其简化形式应与容纳水体空腔的连通性相对应；衬砌拱顶局部承压时，负弯矩出现在拱顶、仰拱处，内力呈对称分布，安全性最低；非对称型局部环向水荷载作用下衬砌受力更不利；提出了抗水压结构安全性控制措施，并探讨了限排卸压系统“动态减压”的作用效果。
作者：	吴绍勇
专业：	土木工程
导师：	徐林生
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023