武汉地铁穿越区岩溶地面塌陷过程及其对隧道影响特征研究
发布时间:2018-11-28 07:50
【摘要】:武汉地区总体地貌形态由剥蚀堆积垄岗区过渡为冲洪积区,城区内自北向南分布有多条可溶岩条带,特殊的地质条件导致区内溶隙、溶洞发育。近年来,由于城市建设尤其是轨道交通建设规模的不断加大,因施工造成的岩溶地表塌陷灾害,以其突发性、群发性以及强破坏性等显著特征,给工程建设及当地居民带来了潜在威胁,岩溶地表塌陷问题已经是武汉城市建设中亟需解决的问题。鉴于此,本文以武汉轨道交通隧道穿越区岩溶为研究对象,通过查阅区域地质文献,结合地质勘探资料,对场地地质结构、岩溶及地下水进行详细分析;在此基础上,结合岩体力学、地质学、工程力学及工程数学等多学科交叉理论,采用室内试验与数值模拟相结合、数值分析与理论分析相结合等等综合性研究方法,对复杂地质条件下的岩溶地面塌陷过程、隧道穿越区岩溶对隧道影响特征以及岩溶处治技术进行了系统研究,主要内容与成果如下:(1)系统阐述了武汉地区区域地形和区域地貌分区,按成因主导因素和形态对地貌进行了分类,从含水地层的岩性、赋存条件及水力性质等角度研究了区域内水文地质特征;详述了武汉地区可溶岩分布及发育特征、岩溶垂直分带特征,总结了区域内岩溶覆盖层的典型地质结构。(2)以武汉地铁穿越区岩溶为研究对象,基于“地貌单元、地层组合和地层时代”三因素为主体的武汉地区岩溶塌陷工程地质宏观控制论,详细研究了覆盖层特征、岩性和断裂以及水文地质等岩溶发育的控制性因素;通过钻孔电视电磁波CT、钻孔彩色电视录像等多种地质勘探手段,分析了地铁隧道穿越区岩溶的空间分布特征以及与地铁工程的空间关系,研究了溶洞填充物的物理力学特征。(3)以武汉市岩溶上部覆盖层典型地质结构依据,设计了室内岩溶塌陷试验装置,进行了纯砂土和上部粘土-下部砂土两类地质结构的物理模型试验,研究了在不同水动力条件下的岩溶塌陷特征以及塌陷过程中的土压力和孔隙水压力变化规律,分析了在无水和饱和两种状态下的地层休止角变化规律以及岩溶地面塌陷的影响范围;得到结论如下:1)孔隙水压力和土压力与水位的变化趋势一致,水位变化越快,孔隙水压力变幅越大。2)对于上覆盖为粘土下部为砂的地质结构,塌陷的过程为下层砂土被潜蚀破坏迅速流失→破坏扩展到粘土层的底面→形成土洞→地面塌陷。3)水下休止角试验表明无水状态下的休止角明显大于水下状态,内摩察角与休止角之间的拟合关系明显好于颗粒粒径与休止角之间的拟合关系。(4)基于离散元的颗粒流理论(PFC),建立了四种典型地质结构下的岩溶塌陷颗粒流模型,研究了不同岩溶地质结构下的地表塌陷特征,分析了塌陷过程的时空效应以及土体颗粒间接触力变化规律,研究了典型地质结构下的岩溶地表塌陷范围;建立了动荷载对岩溶塌陷影响的PFC-CFD耦合计算模型,分析了在不同动荷载作用下的土体内部孔隙水压力和孔隙率的变化规律,得出结论如下:1)地层中的孔隙水压力围绕塌陷坑呈等值线分布,溶洞正上方的地表土层孔隙率呈现变大的趋势,距离地表三分之一深度的土体孔隙率变小。2)无论是加大振幅还是加大频率,都能加快地层中水的流失,进而造成因水位快速下降发生岩溶通道形成并引发地表塌陷。3)振动的能量越大,对于土体结构的破坏能力越强;孔隙率数值大小的变化与振动强度存在紧密联系,孔隙率明显服从一定的类似振动波的曲线变化。4)塌陷过程中,可以近似认为颗粒间应力变化过程为:应力平衡→土颗粒间应力成拱→应力拱破坏→应力再次平衡。5)全砂层、上砂层下粘土、上粘土下砂层及全粘土层等四类覆盖层地质结构下的塌陷角呈现递增的趋势,塌陷特征差异显著;(5)基于渗流理论、连续性方程和固结理论,以MIDAS有限元为分析平台,建立了溶洞与地铁穿越区隧道的数值分析模型,进行了不同施工工况下的高水头岩溶发育区地铁隧道渗流应力耦合特征分析;研究了不同水头高度下的隧道结构受力、变形变化规律,总结了各工况下的初衬和二衬的受力、变形变化规律,得出结论如下:1)监测数据表明:衬砌拱顶位移和收敛值随着时间的推移,数值呈现增加的趋势,三个月左右后数据呈现稳定趋势,拱顶位移数值大小约为8mm-10mm,收敛最大值接近10mm。2)岩溶渗流耦合作用下,隧道开挖引起的孔隙水压力影响范围约为4倍隧洞跨度(洞径),隧道衬砌结构外表面的渗流速度变化和孔隙水压力变化在数值上呈反比关系。3)地下水位高度对隧道与地层耦合作用影响显著,随着水位的升高,拱顶竖向位移呈现增加的趋势,二衬的拱顶位移明显小于初衬的拱顶位移;初衬的渗流速度明显大于二衬的流速,60m水头下二者的差值接近200mm/day;水头越高,渗流速度越大。4)隧道上部结构变形最大,隧道下部结构变形次之,拱腰处的变形最小;衬砌之间接缝处的变形和剪应力最大。5)考虑渗流作用和不考虑渗流作用时衬砌变形规律一致,存在渗流作用时的结构变形和锚杆受力总体上大于无渗流作用时的数据。(6)基于有限元和正交理论,建立了隐伏溶洞位于隧道上方、下方以及侧方等三类计算模型,分析了矿山法隧道周边隐伏溶洞对隧道的影响因素,确定了矿山法隧道周边隐伏溶洞安全厚度。研究表明:溶洞位于隧道不同方位时,围岩水平A、侧压力系数λ、溶腔跨度D、溶腔高跨比R、渗透系数k等五类因素对安全厚度影响差异显著;当隐伏溶洞位于隧道下方时,安全厚度为7.7m,当隐伏溶洞位于隧道侧方时,安全厚度为8.2m,当隐伏溶洞位于隧道上方时,安全厚度为3.5m。(7)基于离散元的颗粒流理论(PFC),分别以不同溶腔空间、隧道距离溶洞的不同水平距离和纵向距离为变化因素,建立了颗粒流岩溶-隧道耦合计算模型以及隔离桩加固计算模型,揭示了岩溶地面塌陷过程中管片受力和位移变化规律,评价了武汉地铁穿越区岩溶地面塌陷条件下盾构隧道的安全性,提出了岩溶地面塌陷治理具体措施,得到结论如下:1)在覆盖层塌陷的过程中,原本受力均匀的管片在不对称覆盖层荷载的作用下,管片拱顶与拱底均出现向内侧收敛的趋势,两侧拱腰呈现向外侧变形的趋势,进而导致实际中由螺栓连接的管片接头的位置出现张拉破坏;随着塌陷的发生,管片法向受力整体呈下降的趋势,塌陷程度越低,隧道受力变化越不明显。2)随着塌陷的发生,管片的行迹表现为顺时针转动的趋势,管片的受力方向受土颗粒的运动方向影响;管片最大位移和最小位移位置与塌陷程度无关;同一隧道埋深下,水平距离越远离塌陷范围,管片受到的影响越小,地铁隧道越安全;埋深越深的隧道,管片位移变化速度越快,其受岩溶地面塌陷影响越大。3)在塌陷的过程中,隔离桩的受力一直处于增加的状态,且法向受力的变化幅度要大于切向力;隔离桩可以改变隧道的受力特征,有效避免隧道整体过大的位移,但不能改善位移的方向,由于位移方向的快速变化,易造成管片扭矩过大而产生破坏。4)隔离桩的加固深度越深、强度越高,对隧道影响越小;对于接近模型的实际案例中,在采取隔离桩加固治理岩溶塌陷时,隔离桩的顶端水平位置应接近隧道2/3高度的位置。5)根据场地地质结构、砂层休止角、地铁隧道或车站空间分布及地面塌陷破坏模式综合分析,得出了对地铁工程产生直接破坏的岩溶塌陷范围,得到了岩溶塌陷不产生隧道偏压的水平安全距离公式,提出了岩溶塌陷治理具体措施。
[Abstract]:......
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U231.1;U452.11
,
本文编号:2362265
[Abstract]:......
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U231.1;U452.11
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