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原文传递污水管线渗漏对地铁隧道结构及周边地层影响机理研究

论文题名：	污水管线渗漏对地铁隧道结构及周边地层影响机理研究
关键词：	地铁隧道;管线渗漏;城市污水管道;路面塌陷;相似模型试验;数值计算
摘要：	近年来我国城市化建设的步伐不断加快，在城市地下空间的开发利用过程中,地下管线尤其是污水管道易受施工扰动影响出现破损或断裂，从而发生长期渗漏病害，容易引发路面塌陷事故并对下方地铁隧道结构产生不利影响。本文以我国某城市地下水位深且存在运营期地铁隧道结构地层为工程背景，基于文献调查、数值模拟、模型试验等方法分析地下污水管道长期渗漏对周边地层及下方隧道结构的影响，主要研究工作及成果如下: 　　（1）根据不同地层条件、管线埋深、管内水压以及渗水点位置设计8组工况,通过数值模拟方法研究各因素对管道渗漏水扩散范围及渗漏区形态变化的影响。结果表明:1）在无隧道地层中，管线渗漏区的发育大致经历“心形-圆形-椭圆形”三个阶段，而当隧道位于管道下方时，其改变了水的渗流路径，渗漏区在后期近似呈上窄下宽的“梨形”。2）管道埋深越大渗漏水扩散至地面所需的时间越长，当埋深达到一定深度后渗漏区将无法到达地表位置。3）管内水压增大后渗漏水的扩散速度随之加快，高饱和区占据整个渗漏区的比例明显增大，其形状与渗漏区整体形状更为接近;4）不同管道渗水点位置主要影响渗漏前期水的扩散形态，对后期渗漏区范围影响相对较小。　　（2）基于有限元软件ABAQUS对管-隧道中心线重合时污水管道的渗漏过程进行流-固耦合分析，研究渗漏过程中地层变形及隧道结构受力的变化规律。结果表明:1）渗漏初期地面出现沉降的范围及其沉降值均相对较小，随着渗漏区的扩大而逐渐增大，不同时刻的沉降槽近似呈对称的“单峰状”，沉降最大点位于管道正上方地表处，其余位置沉降值随着与管道水平距离的增大而减小。2）隧道衬砌结构的受力会随渗漏发生而改变，弯矩及轴力的最大位置分别位于拱顶、拱腰，且渗漏过程中其内力值均呈现“先增大-后减小-随后趋于稳定”的趋势，当渗漏水下渗至距离隧道拱底约1倍洞径时内力达到峰值，此时拱顶、拱底的安全系数最小。　　（3）通过开展3组不同工况下管道渗漏的室内模型试验，研究管-隧相对位置对渗漏过程中地层变形及隧道结构受力变化规律的影响，并与数值模拟结果进行对比验证。结果表明:1）随着管-隧水平距离的增大，渗漏水到达隧道位置所需的时间增加，其远离管道一侧附近的地层浸湿范围相对减小，但同一时刻各工况渗漏区的最大高度及宽度相差较小，总体发展规律符合数值模拟结果。2）不同管-隧位置工况中的地表沉降曲线大致均围绕管道中心线呈对称分布，管道正上方地面附近的沉降最大，且各工况最大沉降值相差较小。3）当管道向右偏移后，其渗漏过程中对隧道产生近似偏压的影响，改变了衬砌结构的整体受力分布，其弯矩、轴力最大位置及结构最不利截面位置也随之发生不同角度的偏转，两种研究方法得出的总体规律基本一致。
作者：	陈小飞
专业：	土木水利
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：	2023