海底隧道襯砌水壓力分布規(guī)律和結(jié)構(gòu)受力特征模型試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，今后幾十年，我國(guó)要修建數(shù)條海底隧道。要在具有恒定高水頭的海底修建隧道，就不可避免的遇到：防排水方式的設(shè)置，作用在襯砌結(jié)構(gòu)上水壓力的確定，水荷載和土荷載共同作用的耦合場(chǎng)中襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征，等等一系列問(wèn)題，這些問(wèn)題具有極高的工程實(shí)踐價(jià)值。本文以我國(guó)大陸地區(qū)第一條以鉆爆法修建的海底隧道——廈門(mén)翔安海底隧道為工程背景，以模型試驗(yàn)為主要研究方法，同時(shí)結(jié)合理論計(jì)算、數(shù)值模擬分析等多種手段，對(duì)隧道注漿圈、襯砌背后水荷載的分布規(guī)律

2、，應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)共同作用下襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征進(jìn)行了研究，主要研究成果如下： (1)通過(guò)對(duì)相似理論和模型試驗(yàn)原理的研究，推導(dǎo)了應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)共同作用的耦合場(chǎng)的相似準(zhǔn)則。推導(dǎo)了均質(zhì)圍巖中針對(duì)公路隧道防排水形式下注漿圈外表面、襯砌背后水壓力的理論解析公式。以原型為背景分析了襯砌背后水壓力與圍巖滲透系數(shù)、注漿圈滲透系數(shù)、注漿圈厚度和隧道控制排水量各個(gè)變量之間的關(guān)系。 (2)利用隧道及地下工程試驗(yàn)中

3、心研發(fā)的水土共同作用模型試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)、引進(jìn)了光纖光柵應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，以F4全強(qiáng)風(fēng)化囊地段的S5d隧道工程為原型，研究了滲流場(chǎng)中注漿圈外、襯砌背后水壓力在全封堵方式下、限排方式下和逐級(jí)加大水頭的過(guò)程中的分布變化規(guī)律，得到了注漿圈的水壓折減作用規(guī)律。進(jìn)行了隧道模型在應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)共同作用的耦合場(chǎng)中的模型試驗(yàn)。 (3)利用水壓力作用系數(shù)的概念，形象說(shuō)明了注漿圈外和襯砌背后水壓力的分布和變化規(guī)律。注漿圈外側(cè)水壓分布近似圓形

4、，襯砌背后水壓分布近似“葫蘆”狀。環(huán)向盲管的設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利。 (4)依靠光纖光柵精確的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，得出了襯砌結(jié)構(gòu)在應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)和耦合場(chǎng)中的形變特征和應(yīng)力變化規(guī)律。隧道結(jié)構(gòu)在應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)共同作用的耦合場(chǎng)中受力最不利，其次是滲流場(chǎng)，最后是在應(yīng)力場(chǎng)中的受力。隧道結(jié)構(gòu)受力的最不利部位為仰拱內(nèi)表面，其次是拱腳外表面，最后是拱頂內(nèi)表面。水荷載是隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要荷載，襯砌仰拱部位是設(shè)計(jì)的重中之重。 (5)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力

5、和地下水靜水頭近似成正比例線性關(guān)系。限排方式下，隨著排水量的增大，水壓力作用系數(shù)減小，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)隨之增大，襯砌結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力隨之減小。地下水滲流改變了土體結(jié)構(gòu)，滲流體積力、滲透壓力施加在襯砌結(jié)構(gòu)上，隧道結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生應(yīng)力增量，因此耦合場(chǎng)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的作用要大于應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)單獨(dú)作用的疊加。 (6)結(jié)合相似原理和模型試驗(yàn)的特點(diǎn)，推得返回工程原型的相似準(zhǔn)則，原型隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和內(nèi)力計(jì)算公式，最終得出了襯砌結(jié)構(gòu)各部位在應(yīng)力場(chǎng)、