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

1、隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，今后幾十年，我國要修建數(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中襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征，等等一系列問題，這些問題具有極高的工程實踐價值。本文以我國大陸地區(qū)第一條以鉆爆法修建的海底隧道——廈門翔安海底隧道為工程背景，以模型試驗為主要研究方法，同時結(jié)合理論計算、數(shù)值模擬分析等多種手段，對隧道注漿圈、襯砌背后水荷載的分布規(guī)律

2、，應力場、滲流場及應力場和滲流場共同作用下襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征進行了研究，主要研究成果如下： (1)通過對相似理論和模型試驗原理的研究，推導了應力場、滲流場、應力場和滲流場共同作用的耦合場的相似準則。推導了均質(zhì)圍巖中針對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變量之間的關(guān)系。 (2)利用隧道及地下工程試驗中

3、心研發(fā)的水土共同作用模型試驗臺架系統(tǒng)、引進了光纖光柵應變測試系統(tǒng)，以F4全強風化囊地段的S5d隧道工程為原型，研究了滲流場中注漿圈外、襯砌背后水壓力在全封堵方式下、限排方式下和逐級加大水頭的過程中的分布變化規(guī)律，得到了注漿圈的水壓折減作用規(guī)律。進行了隧道模型在應力場、滲流場、應力場和滲流場共同作用的耦合場中的模型試驗。 (3)利用水壓力作用系數(shù)的概念，形象說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)置對結(jié)構(gòu)受力有利。 (4)依靠光纖光柵精確的應變數(shù)據(jù)采集，得出了襯砌結(jié)構(gòu)在應力場、滲流場和耦合場中的形變特征和應力變化規(guī)律。隧道結(jié)構(gòu)在應力場和滲流場共同作用的耦合場中受力最不利，其次是滲流場，最后是在應力場中的受力。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)計的主要荷載，襯砌仰拱部位是設(shè)計的重中之重。 (5)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應力

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)生應力增量，因此耦合場對襯砌結(jié)構(gòu)的作用要大于應力場和滲流場單獨作用的疊加。 (6)結(jié)合相似原理和模型試驗的特點，推得返回工程原型的相似準則，原型隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應力和內(nèi)力計算公式，最終得出了襯砌結(jié)構(gòu)各部位在應力場、