【博士】抗水压隧道洞四因素体系平衡机理研究【2009】

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内容简介

　　学科专业：地质工程　　授予学位：博士　　学位授予单位：同济大学土木工程学院　　学位年度： 2009年　　在高水位地区修建隧道，高压地下水．围岩．注浆圈一衬砌共同构成了一个水压平衡体系，它们之间的相互作用决定了围岩稳定、注浆圈止水效果以及衬砌结构的安全。本文通过室内试验、模型试验、理论推导及数值模拟探讨了高压地下水．围岩．注浆圈．衬砌支护结构水压平衡体系工作机理，分析了平衡体系对外界的耦合响应过程及各因素的敏感性，研究内容与取得的成果如下：　　定义“以抵抗水压力为主，在设计中采用注浆圈．围岩．衬砌共同作用的结构形式，需要特殊考虑防排水的隧道(洞)”为“抗水压隧道”，提出了“抗水压隧道四因素体系”的概念，并根据施工阶段将抗水压隧道水压平衡体系分为二因素体系(地下水一围岩)、三因素体系(地下水．围岩．注浆圈)、四因素体系(地下水一围岩一注浆圈．衬砌)，从本质上揭示了隧道从施工到运营相对稳定的平衡状态。　　利用锦屏二级水电站天然大理岩模拟隧道围岩，对破裂后的大理岩进行注浆胶合模拟注浆圈，进行了四因素体系作用、复杂应力路径下的岩样三轴渗透试验(控制轴向应变，围压先升后降)，探讨了应力．应变全过程中围岩与注浆圈渗透率变化机理，分析了围压、孔隙水压、渗透压对渗透率的影响规律以及渗透率峰值规律。　　设计了能够模拟抗水压隧道轴对称径向流渗流场的试验装置，并根据相似理论与正交试验方法，配制了围岩与注浆圈相似材料，以锦屏二级水电站引水洞工程为原型，进行了模拟四因素体系作用下抗水压隧道渗流场的模型试验，探讨了渗流场水压力分布规律，注浆圈、隧洞内水压力、排水量对渗流场水压力的影响规律及注浆圈对水压力的折减规律；根据试验结果提出了引水洞注浆圈厚度建议值为16m。　　将围岩与衬砌视为各向同性连续弹塑性介质，基于弹塑性力学、地下水动力学理论以及莫尔．库仑屈服准则，推导了四因素体系共同作用下抗水压隧道位移与应力的弹性解、弹塑性解以及塑性区半径的计算公式，探讨了不同渗流场条件下隧道应力分布规律，渗流场、注浆圈、衬砌对应力及塑性区的影响规律，并与数值方法、传统解析方法的计算结果进行了对比；利用研究成果对锦屏二级水电站单个引水洞的注浆参数进行了优化：引水洞的合理注浆圈厚度为1倍洞径即12m，注浆圈渗透系数建议控制在lxlO’5cm／s以下；在运行期间，若不计衬砌结构支护力，当内水压力为零时，距离洞壁约2．2m范围内将产生屈服区。　　

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