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海底隧道涌水量预测及注浆防水研究
作 者: 王向阁
导 师: 王星华
学 校: 中南大学
专 业: 土木工程
关键词: 海底隧道 涌水量预测 流固耦合机理 围岩稳定性 注浆加固圈 数值模拟
分类号: U453.61
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要
高水头压力和水源无限量供给是海底隧道的显著特点,特别是隧道穿越断层及软弱地层等不良地质段时,在地下水作用下常会引起围岩失稳,进而出现突水、涌泥等工程地质灾害,从而造成隧道结构破坏,威胁施工人员安全,因此,准确地进行隧道涌水量预测及采取超前预注浆措施是控制洞室围岩稳定性的关键,也是隧道防排水设计施工中亟待解决的问题。因此,本文对海底隧道建设中的涌水量预测、洞室围岩稳定性和超前全断面预注浆等问题进行探讨,主要研究内容如下:(1)基于无限含水层中竖井理论进行海底隧道圆形洞室稳定渗流场的理论推导,得出不考虑注浆圈及考虑注浆圈两种情况下稳定渗流场的分布,给出衬砌背后水压力、隧道涌水量的解析表达式。分析衬砌背后水压力与隧道控制排水量、注浆圈参数的关系,并阐述“堵水限排”隧道防排水原则的理论基础。(2)介绍隧道涌水量预测常用的方法及适用工况,在本文得出隧道涌水量计算公式的基础上分析涌水量与注浆圈及各参数的关系,给出隧道涌水量与注浆圈厚度、注浆圈渗透系数的关系曲线;所得结论可以指导注浆圈参数值的合理选取。(3)结合胶州湾海底隧道的水文地质状况,采用经验公式、数值模拟和理论解析的方法进行隧道可能最大涌水量预测,并对比评价各种方法所得的预测结果,进而判断隧道施工时可能出现较大涌、突水风险的地段。(4)在考虑海水渗流的基础上,基于Drucker-Prager岩石屈服准则推导出圆形洞室围岩塑性区半径和弹、塑性区内的应力、位移的解析解,绘制在考虑渗流的情况下和基于基于Drucker-Prager屈服准则的不同围岩条件下,圆形洞室内外水头差与塑性区半径的关系曲线、围岩特性曲线和径向应力的分布曲线。(5)根据胶州湾海底隧道前期勘察资料进行地质风险分析,根据地质风险分析结果,采取了针对性的综合超前地质预报技术,保证了探测方法的合理性和结果的可靠性;根据超前探测结果结合水量和水压的大小,制定注浆堵水方案和效果评价方法,保证安全经济地处理不良地质体。(6)采用FLAC 3D有限差分软件开展胶州湾海底隧道F4-4断层破碎带的数值模拟,考虑流固耦合效应,论证分析衬砌结构、注浆圈及隧道防排水方式对隧道渗流场、应力场、位移场和塑性破坏区的影响,并进行对比分析数值结果与理论解析结果。
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全文目录
摘要 3-5 ABSTRACT 5-7 目录 7-9 第一章 绪论 9-19 1.1 问题的提出及选题依据 9-11 1.2 国内外研究现状 11-17 1.2.1 国内外对海底隧道建设已开展的研究工作 11-13 1.2.2 裂隙岩体水力学研究现状 13-15 1.2.3 隧道涌水量预测研究现状 15-16 1.2.4 注浆技术及效果检测研究现状 16-17 1.3 本文的研究思路及主要内容 17-19 第二章 海底隧道渗流场分析及涌水量预测 19-38 2.1 引言 19 2.2 隧道围岩稳定渗流场的解析解 19-28 2.2.1 单相流体渗流偏微分方程的推导介绍 19-21 2.2.2 海底隧道围岩渗流场理论解析 21-24 2.2.3 海底隧道衬砌背后水压力分析研究 24-28 2.3 海底隧道涌水量预测及应用研究 28-36 2.3.1 隧道涌水量预测方法 28-30 2.3.2 青岛胶州湾海底隧道涌水量预测研究 30-35 2.3.3 隧道涌水量解析解与各量值间关系分析 35-36 2.4 本章小结 36-38 第三章 渗流对海底隧道围岩力学特性的影响 38-48 3.1 引言 38 3.2 地下水对岩石软化及破坏作用 38-41 3.2.1 Drucker-Prager塑性判据介绍 38-39 3.2.2 水对岩石软化及破坏作用 39-41 3.3 圆形断面海底隧道围岩弹塑性分析 41-47 3.3.1 海底隧道渗流场计算 41 3.3.2 计算模型的建立 41-42 3.3.3 考虑渗流情况下圆形洞室弹性区解析解 42-43 3.3.4 基于Drucker-Prager准则洞室围岩的弹塑性解 43-44 3.3.5 塑性区半径的确定 44 3.3.6 计算与讨论 44-47 3.4 本章小结 47-48 第四章 承压地下水隧道注浆设计及效果检测研究 48-64 4.1 引言 48 4.2 海底隧道综合超前地质预报系统研究 48-53 4.2.1 隧道超前地质预报方法简介 48-50 4.2.2 海底隧道综合超前地质预报措施及结果分析 50-53 4.3 注浆方案设计及施工组织分析 53-61 4.3.1 注浆加固圈合理参数取值讨论 53-55 4.3.2 注浆设计 55-58 4.3.3 注浆施工工艺 58-61 4.4 注浆效果评价 61-63 4.5 本章小结 63-64 第五章 注浆圈对海底隧道渗流场影响的数值计算分析 64-85 5.1 引言 64 5.2 FLAC 3D流固耦合计算原理 64-67 5.2.1 流固耦合分析的控制微分方程 64-66 5.2.2 初始条件和渗流边界条件 66-67 5.2.3 塑性判断准则 67 5.3 注浆圈对渗流场影响的数值计算分析 67-83 5.3.1 胶州湾海底隧道工程概况 67-70 5.3.2 计算模型的建立和围岩力学参数的确定 70-72 5.3.3 计算工况的确定 72 5.3.4 流固耦合计算结果分析 72-83 5.4 本章小结 83-85 第六章 结论与展望 85-87 6.1 主要结论 85-86 6.2 展望 86-87 参考文献 87-92 致谢 92-93 攻读硕士期间发表的论文和科研工作情况 93
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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 隧道工程 > 隧道建筑物与设备 > 防排水、防排水设备 > 地下水及涌水防治措施及设备
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