• ISSN 0258-2724
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基于温度比拟法的隧道衬砌水压精细化模拟分析

邱月 何川 何聪 邹育麟 胡炜

邱月, 何川, 何聪, 邹育麟, 胡炜. 基于温度比拟法的隧道衬砌水压精细化模拟分析[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(3): 442-449. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.03.003
引用本文: 邱月, 何川, 何聪, 邹育麟, 胡炜. 基于温度比拟法的隧道衬砌水压精细化模拟分析[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(3): 442-449. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.03.003
QIU Yue, HE Chuan, HE Cong, ZOU Yulin, HU Wei. Refined Simulation Analysis of Water Pressure of Tunnel Lining Based on Temperature Analogy Method[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(3): 442-449. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.03.003
Citation: QIU Yue, HE Chuan, HE Cong, ZOU Yulin, HU Wei. Refined Simulation Analysis of Water Pressure of Tunnel Lining Based on Temperature Analogy Method[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(3): 442-449. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.03.003

基于温度比拟法的隧道衬砌水压精细化模拟分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.03.003
基金项目: 

国家重点研发计划课题 2016YFC0802205

国家重点研发计划课题 2016YFC0802202

国家自然科学基金资助项目 51578462

国家自然科学基金资助项目 U1361210

详细信息
    作者简介:

    邱月(1990-), 女, 博士研究生, 研究方向为隧道与地下工程设计理论, E-mail:yyuueeqqiiuu@126.com

    通讯作者:

    何川(1964-), 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为地铁及水下盾构隧道结构理论、大型及复杂交通隧道结构安全、长大交通隧道运营控制等, E-mail:chuanhe21@163.com

  • 中图分类号: U455.4

Refined Simulation Analysis of Water Pressure of Tunnel Lining Based on Temperature Analogy Method

  • 摘要: 为验证温度比拟法在隧道衬砌水压计算中的精度与可行性,在隧道开挖未支护、施作衬砌以及围岩注浆3种工况下,将该法的计算结果与理论解析法轴对称解、流固耦合法进行对比.针对高速公路典型双车道马蹄形断面建立含有隧道防排水系统的精细化模型,研究衬砌外水压力在隧道横断面和纵断面上的分布规律.结果表明:施作衬砌后,衬砌外水压力明显增大,围岩注浆则可在围岩和衬砌之间形成水压过渡缓冲区,使衬砌外水压力减小;衬砌外水压力在纵向排水管以上呈周期性分布,在排水节间中部最大,在环向排水管处最小;横断面水压则呈现倒葫芦形,在拱脚处最小,在拱顶和仰拱处较大;在既定的计算假设下,温度比拟法与轴对称解的最大误差为0.3%,与流固耦合法的最大误差为14.8%,满足工程精度要求.

     

  • 图 1  深埋隧道退化轴对称模型示意

    Figure 1.  Axis-symmetric model of the deep buried tunnel

    图 2  数值计算模型

    Figure 2.  Tunnel geometry used in the numerical simulations

    图 3  H=20 m工况下开挖未施作衬砌时水压分布

    Figure 3.  Distribution of water pressure after excavation under H=20 m

    图 4  H=20 m工况下施作衬砌后水压分布

    Figure 4.  Distribution of water pressure after lining under H=20 m

    图 5  H=20 m工况下围岩注浆后水压分布

    Figure 5.  Distribution of the water pressure after grouting under H=20 m

    图 6  数值计算模型

    Figure 6.  Tunnel geometry used in the numerical simulations

    图 7  二次衬砌水压分布

    Figure 7.  Distribution of water pressure of the second lining

    图 8  二次衬砌水压变化规律

    Figure 8.  Change rule of water pressure of the second lining

    表  1  开挖未支护时衬砌外侧水头值

    Table  1.   Water pressure of the lining after excavation under different operation conditions

    m
    计算方法 H/m
    20 40 60 80 100
    轴对称解 0.841 1.121 1.407 1.681 1.945
    温度比拟法 0.841 1.122 1.409 1.685 1.951
    误差/% 0.000 0.057 0.137 0.231 0.333
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    表  2  施作衬砌后衬砌外侧水头值

    Table  2.   Water pressure of the lining after lining construction under different operation conditions

    m
    计算方法 kl/(cm·s-1) H/m
    20 60 100
    轴对称解 1×10-6 17.954 49.660 79.868
    温度比拟法 17.954 49.708 80.088
    误差/% 0.000 0.097 0.275
    轴对称解 1×10-7 19.775 58.776 97.541
    温度比拟法 19.775 58.792 97.628
    误差/% 0.000 0.027 0.089
    轴对称解 1×10-8 19.977 59.875 99.749
    温度比拟法 19.977 59.877 99.760
    误差/% 0.000 0.003 0.011
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    表  3  围岩注浆后衬砌外侧水头值

    Table  3.   Water pressure of the lining after grouting under different operation conditions

    m
    计算方法 kg/(cm·s-1) H/m
    20 60 100
    轴对称解 2×10-5 12.292 34.856 56.651
    温度比拟法 12.293 34.864 56.686
    误差/% 0.009 0.022 0.062
    轴对称解 4×10-6 5.118 14.993 24.717
    温度比拟法 5.119 14.997 24.729
    误差/% 0.019 0.027 0.048
    轴对称解 2×10-6 2.959 8.756 14.500
    温度比拟法 2.959 8.757 14.505
    误差/% 0.000 0.016 0.033
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    表  4  围岩参数

    Table  4.   Parameters of the rock

    项目 弹性模量/GPa 泊松比 密度/(kg·m-3) 粘聚力/MPa 内摩擦角/(°) 孔隙率
    Ⅳ级围岩 2 0.35 2 000 0.30 30 0.25
    二次衬砌 30 0.20 2 500 0.10
    注浆圈 20 0.20 1 850 0.20
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    表  5  各工况下衬砌外侧水头值比较

    Table  5.   Comparison of the water pressure of the lining under different operation conditions

    m
    计算方法 开挖未支护 施作衬砌 围岩注浆 计算时间/s
    拱顶 边墙 仰拱 拱顶 边墙 仰拱 拱顶 边墙 仰拱
    温度比拟法 1.702 1.941 2.298 68.564 77.732 87.447 19.978 24.562 29.148 15
    流固耦合法 1.861 1.943 2.198 74.132 78.913 83.798 22.935 24.617 26.733 9.7×103
    误差/% 9.342 0.103 -4.352 8.121 1.519 -4.173 14.801 0.224 -8.285
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    表  6  围岩及结构物等效渗透系数

    Table  6.   Permeability coefficient of the rock and structure

    cm/s
    排水管 围岩 初衬 注浆圈 二砌 防水板 透水垫层
    4 2×10-4 5×10-7 4×10-6 2×10-8 4×10-9 4×10-4
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    表  7  衬砌外侧各部位的水头值

    Table  7.   Water pressure of the lining in different parts

    m
    计算方法 注浆前 注浆后 计算时间/s
    拱顶 拱腰 边墙 仰拱 拱顶 拱腰 边墙 仰拱
    温度比拟法 28.160 27.236 19.346 47.915 12.672 11.859 9.092 26.353 50
    流固耦合法 28.462 27.437 20.798 53.224 12.899 12.011 9.919 30.183 2.9×104
    误差/% 1.072 0.738 7.505 11.080 1.791 1.282 9.096 14.533
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  • 收稿日期:  2016-11-17
  • 刊出日期:  2018-06-01

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