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高水压条件下深埋公路隧道二衬结构安全性分析及其监测预警研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 选题的依据及研究意义

1.1.1 选题依据

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 高水压条件下隧道二衬安全性研究现状

1.2.2 公路隧道监测预警研究现状

1.2.3 地下结构工程数值分析研究现状

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第二章 春天门隧道地质条件

2.1 工程概况

2.1.1 工程地理位置

2.1.2 技术标准

2.2 自然地质条件

2.2.1 水文、气象

2.2.2 地形地貌

2.2.3 地质构造

2.3.1 地下水特点

2.3.2 岩溶发育规律

2.3.3 典型岩溶危险段

2.4 隧址区域外水压力

2.5 春天门隧道涌(突)水量预测

2.6 本章小结

第三章 富水岩溶地区隧道二衬外水压力相关基础理论研究

3.1 复合式衬砌二衬外水压力形式

3.2 地下水渗流基本理论

3.2.1 均匀连续介质

3.2.2 裂隙岩体中的衬砌水压力

3.3 公路隧道水荷载模型结构

3.3.1 退化轴对称问题

3.3.2 深埋公路隧道水荷载解析解

3.4.1 复合式衬砌特点介绍

3.4.2 复合式衬砌二衬水压力计算

3.4.3 算例分析

3.5 高水压条件下隧道二衬局部承压分析

3.5.1 复合式衬砌二衬局部承压施工阶段原因分析

3.5.2 复合式衬砌二衬局部承压运营阶段原因分析

3.6 本章小结

第四章 春天门隧道高水压段二衬结构安全性分析

4.1 隧道高水压段二衬抗水压结构设计

4.2 Ansys计算原理

4.2.1 Ansys有限元软件简介

4.2.2 计算模型

4.2.3 工况选择

4.2.3 建模方法

4.2.4 钢筋混凝土受压构件安全系数

4.3 SK3二衬局部受压安全性计算结果分析

4.3.1 衬砌结构不承受外水压力计算结果分析

4.3.2 衬砌结构四周承受水压计算结果分析

4.3.3 衬砌结构拱顶承受水压计算结果分析

4.3.4 衬砌拱底承受水压结构计算结果分析

4.3.5 衬砌侧边承受水压结构计算结果分析

4.3.6 衬砌拱底及两侧承受水压结构计算结果分析

4.4 不同厚度二衬安全系数计算结果综合分析

4.5 本章小结

第五章 高压富水段隧道衬砌水压力监测预警研究

5.1 隧道长期监测预警系统

5.1.1 隧道长期监测预警系统的意义

5.1.2 监测预警系统功能与组成

5.1.3 光纤传感技术在隧道监测预警中的应用

5.2 监测仪器的选取及布置

5.2.1 仪器的选用

5.2.2 测点布置

5.2.3 数据采集和处理

5.3 工程实例分析

5.3.1 鸡公山隧道二衬水压力监测数据分析

5.3.2 大面坡隧道二衬水压力监测数据分析

5.4 隧道外水压自动泄压系统

5.4.1 监测断面设备布置及泄水值

5.5 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

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摘要

近年来,随着习近平总书记“一带一路”重大战略思想的提出,内陆地区西北省份(宁夏、青海、甘肃陕西)、西部省份(重庆、四川、云南)等一线中西部省份必将成为连接亚欧各国和国内内陆城市的交通枢纽,承担起更大的交通互联的责任。然而西部山区交通建设面临各种各样复杂的环境约束,如在高水压条件下修建以及运营深埋公路隧道就面临很大的挑战。在这类富水岩溶隧道修建过程中,经常会遇到岩溶暗河、突水突泥等重大施工地质灾害,其中突水突泥因为其突然性,致使工程施工人员往往来不及采取有效的应对措施。而隧道二衬长期处于高水头水压力下很容易会发生渗漏水,对隧道的正常运营也带来了威胁。
  本文在结合依托工程项目建设实践的基础上,采用现场实际调查和室内综合分析的方法来开展相关研究工作,取得的主要成果如下:
  (1)通过对工程所在地的地质条件、水文及岩溶段特点的分析。利用四种类比方法对项目突涌水量进行预测。然后结合项目采取的“以堵为主、限量排放”的特点,使用合适的外水压折减系数对衬砌外水压进行初步估算。
  (2)通过轴对称假设探究地下水渗流基本理论,证明了等效连续介质理论同样适用于块状裂隙岩体渗流问题。用解析解的方式,将计算模型退化为轴对称问题同时利用保角变化原理对高水压条件下深埋岩溶隧道进行解析研究。得出对于复合式衬砌而言,可以把渗流力对衬砌的作用简化成量值为孔隙水压力p的径向表面力对衬砌的作用,用简单的“荷载一结构物”模型代替复杂的“连续体计算模型”进而对衬砌结构进行有限元计算。
  (3)采用Ansys有限元软件,首先对春天门隧道所采用的SK3型抗水压衬砌在五种不同局部承受水压工况下结构受力情况进行数值模拟,通过分析其在不同工况下衬砌轴力和弯矩情况,得出其相应工况下二衬的薄弱环节。
  (4)针对春天门隧道二衬所采用的三种不同厚度的抗水压衬砌,使用Ansys有限元软件分别模拟其在五种不同承压方式中的受力情况,并剖析三种抗水压衬砌在不同承压工况下的安全系数。
  (5)阐述了隧道衬砌长期监测预警系统的功能和组成,针对具体工程的水压力监测数据,使用有限元软件模拟的结果对其进行分析预警。最后对衬砌外水压自动卸压系统的卸压值进行优化。

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