岩溶隧道突水机理及防突层安全厚度研究

发布时间：2019-01-01 16:51

【摘要】：当隧道穿越岩溶地区时,受复杂地质条件等因素影响,往往会遭遇突水涌泥等大型地质灾害。隧道突水以其高发率、突发性、危害大等特点,严重制约着岩溶区地下工程建设的发展:突水灾害常伴随着不可估量的损失,坑道被淹、机制设备损毁、施工被迫中断,或引起水土流失、水资源平衡破坏等不可逆后果,甚至危及生命安全。我国岩溶区辽阔,地下空间资源发展前景更是广阔,作为岩溶区典型地质灾害的隧道突水问题,俨然已成为亟待深入研究的具有重大意义的前沿热点。本文以国内典型岩溶铁路隧道为研究对象,通过工程实例调查、数值计算、理论分析、数值模型试验等手段,从详细调研国内多起代表性突水事件入手,全面分析了岩溶隧道的突水模式及灾变机理,基于不同理论或施工力学响应,对比研究了防突层安全厚度的预测方法,取得了具有一定理论意义及工程应用价值的研究成果:(1)基于大量岩溶隧道突水资料的统计分析,从岩溶发育的必要条件角度分析了岩溶发育特征,得到了不同构造区及岩溶发育带的含水构造类型;提出突水能量贮存、能量释放条件、能量爆发催化是突水灾害的形成主线,并分步研究了突水的灾变特征,基于此主线,阐明了突水发生条件的影响因素,构成了突水灾害发生的控制因素集;(2)选取多起具代表性的岩溶隧道重大突水事件,详细调研其致灾过程、致灾机理,在此基础上概化出各事件的突水模型;对比分析各突水模型,基于致灾关键体的不同,将岩溶隧道突水模式划分为隔水岩盘破坏模式及填充介质失稳模式两大类,提出前、后者的致灾关键体分别为隔水岩盘及含水构造内填充介质;根据含水构造与隧道空间位置关系,又将隔水岩盘破坏模式细分为相交式、分离式,将填充介质失稳模式细分为顶伏式、侧伏式、底伏式、贯通式;突水模式的划分为突水机理及防突层厚度的分类研究提供基础;(3)隔水岩盘破坏模式突水的灾变机理为防突岩盘的失稳破坏。首先分别从物理、力学角度分析了岩溶水对隔水岩盘的弱化作用;其次根据隔水岩盘的质量优劣,分别采用突变理论、岩体断裂力学及关键块体理论,对岩盘不同破坏模式下的失稳机理进行研究,并指出隔水岩盘在突水过程中的破坏模式具有非确定性;最后针对岩盘破坏非确定性特征,采用可考虑渗流—损伤耦合机制的数值软件对隔水岩盘的失稳过程进行分析,再现了岩盘内突水通道的形成过程,并据多场信息随隧道开挖过程的演化规律揭示了隔水岩盘的失稳破坏机制;(4)填充介质失稳模式突水的灾变机理为填充介质的失稳破坏。基于大量突水实例的调研分析,提出了含水构造内填充介质的不同种类,并据此分析了填充介质渗透特性的区别;基于渗透性差异,分析了填充介质渗透失稳及滑移失稳机制,并采用工程实例分别进行了验证。(5)基于防突层稳定性影响因素的分析,提出防突层质量及岩溶水压是导致防突层失稳破坏的最关键因素;将含水溶腔位于隧道顶部、侧部、底部工况下的防突层简化为两端固支梁模型,将含水溶腔发育于掌子面正前方工况下的防突层简化为四周固支圆板模型,利用弹性理论,基于梁板抗弯、抗剪、或抗拉强度准则建立防突层安全厚度预测方法;将顶部、底部防突层简化为两端固支梁模型,将掌子面前方、侧部防突层简化为四周固支板模型,基于尖点突变模型,建立防突层安全厚度计算公式;(6)交叉组合工程实际中常见级别围岩及溶腔水压,形成不同计算工况,据此分别建立存在相交式、分离式突水隐患隧道的数值模型试验,采用三维快速拉格朗日法,考虑流固耦合作用,研究分步开挖及分步支护条件下隧道施工力学响应;提出并分析了隧道开挖过程中、不同围岩级别及岩溶水压条件下模型及防突层位移场演化规律,并据此提出不同围岩级别与岩溶水压组合工况下防突层的安全厚度值,通过对结果进行回归拟合分析,分别建立了相交式、分离式突水隧道在不同围岩条件下的防突层安全厚度计算公式;(7)分别选取存在相交式、分离式突水隐患的隧道作为工程适用性研究素材,检验了防突层安全厚度预测方法的可行性及合理性,发现基于强度理论及突变理论的防突层安全厚度预测方法可适用于某些工况,但均存在一定局限性,基于施工力学响应的预测模型运用简单,且工程表现完美,具有很强的适用性及操作性,易被现场工程师所接受,在实际工程中可作强有力的参考。
[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】：U453.6
，

本文编号：2397848