高压富水区大断面公路隧道衬砌结构受力特征及防排水技术研究

摘要

随着我国经济的快速发展，山岭地区基础设施建设不断拓展，山岭地区具有水文地质复杂、地形地貌多样的特点，决定了隧道修建过程中，会遇到一系列的地质情况，如软弱破碎带、断层、高地应力、高水压等，其中高水压是隧道工程施工及运营中最具危害的问题之一，关乎隧道施工及运营期间的结构安全性，而矢跨比较小的大断面公路隧道在高水压的作用下，受力极为不利，衬砌结构易发生破坏，而国内相关研究成果较少，因此，亟需开展高压富水区大断面公路隧道衬砌结构受力特性的研究。本文依托青云山大断面公路隧道，采用资料调研、理论分析、模型试验及数值模拟相结合的方法，探究了高压富水区大断面公路隧道衬砌结构的受力特征及高水压作用下衬砌结构的破坏形态，并对高压富水区大断面公路隧道防排水技术进行了一定的探讨，取得主要研究成果如下： （1）基于相似模型理论，选取青云山隧道IV级围岩富水段开展相似比例为1:30的模型试验，利用土压加载装置和非圆形断面均匀水压加载装置分别模拟土压和水压的作用，考虑隧道埋深及水头高度的改变，对高压富水区大断面公路衬砌结构的受力进行了测试，探究了三车道及紧急停车带两种隧道断面衬砌结构在土压和水压的共同作用下的受力特征，分析了高水压作用下两种衬砌结构的破坏形态，得到了富水区大断面隧道衬砌结构的内力随水压及埋深的变化规律。 （2）基于荷载-结构计算理论，采用 ANSYS 有限元计算软件，建立初期支护、二次衬砌共同承载结构模型，考虑围岩荷载与水荷载的共同作用，探究了高压富水区深埋大断面公路隧道三车道及紧急停车带两种断面衬砌结构的受力特征，获得了围岩级别改变以及水头高度变化对两种断面衬砌结构受力及安全性的影响规律。 （3）基于FLAC3D流固耦合计算理论，采用FLAC3D有限差分软件，选取青云山隧道YK349+728~YK349+804里程段典型富水断面，分别建立“两侧沟”排水及“仰拱下设排水沟”排水的计算模型，开展流固耦合计算，对比分析了两种排水方式下，围岩渗流场变化规律、衬砌外水压力分布特征以及衬砌结构的安全系数分布特征，并对两种排水方式的适用范围进行了探讨。

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