岩溶与淤泥组合地层中地铁隧道结构的变形特性研究

发布时间：2017-06-09 08:12

  本文关键词：岩溶与淤泥组合地层中地铁隧道结构的变形特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着国民经济的快速发展,城市地铁建设规模越来越大,在岩溶和淤泥组合地层中修建地铁隧道的情况已经屡见不鲜。隧道附近存在溶洞时,特别是溶洞塌陷情况下,使得隧道周边土体的应力场和地下水的渗流场发生流固耦合作用,破坏了其结构的完整性,影响地铁隧道的正常运营;软土地层中的地铁隧道特别是隧道结构下卧层存在一定厚度的淤泥土层时,淤泥的排水固结会使得隧道结构的曲率半径、坡度、坡长发生变化,使得隧道发生变形,增加作用在隧道结构衬砌管片上的附加应力;二者均会使得隧道结构的变形、附加应力和弯矩发生改变,进而影响隧道结构的安全性和耐久性。广州市正在运营的地铁2号线、5号线、6号线、8号线等均有穿越石灰岩分布的区域,岩溶较为发育,且广州市属于珠江三角洲冲洪积平原地貌,淤泥土层等不良地质分布较为广泛。基于此,论文以广州市地铁八号线北延段小坪站及附近区间为研究背景,结合场地的地质勘查资料,有针对性地对岩溶和淤泥组合地层中地铁隧道结构的变形特性进行研究,分析岩溶和淤泥共同作用下隧道结构衬砌管片的变形、附加应力和弯矩的变化情况,并在此基础上采用大型通用三维有限元分析软件Midas-GTS为研究手段进行全方位的分析,提出了岩溶和淤泥土的处理措施,主要研究内容和研究成果如下:(1)根据现有的溶洞塌陷理论和溶洞塌陷的极限平衡条件,分析溶洞塌陷的原因、溶洞塌陷的极限状态、隧道与溶洞间的安全厚度、溶洞塌陷状态下对地铁隧道结构衬砌管片的影响,并建立岩溶区溶洞丧失平衡计算模型。(2)根据现有的淤泥土固结沉降相关理论,淤泥土排水固结基本模型建立隧道底部淤泥土固结沉降公式,根据流固耦合的基本原理,分析溶洞存在和隧道底部淤泥土排水固结共同发挥作用时对地铁隧道结构衬砌管片的影响。(3)通过上述岩溶区溶洞丧失平衡计算模型和淤泥土固结沉降公式,针对广州市地铁八号线北延段小坪站及附近区间岩溶和淤泥组合地层的实际工程案例,对研究区隧道结构与溶洞间安全厚度、溶洞塌陷形成的力学条件,淤泥地层中隧道的变形进行计算,并通过有限元分析对此进行论证。(4)采用大型通用有限元软件Midas-GTS,确定溶洞塌陷状态的判定条件,分析在改变隧道结构底部与溶洞的距离、溶洞直径两个变量因子的情况下,地铁隧道结构衬砌管片的变形、附加应力和弯矩的情况,同时考虑地下水位变化时,淤泥土发生排水固结情况下对于地铁隧道结构衬砌管片的影响。(5)根据上述的综合分析,对隧道穿过岩溶和淤泥土组合地层这一实际情况,提出相应的岩溶处理措施和下卧层淤泥土处理措施。
【关键词】：溶洞塌陷 淤泥固结 衬砌管片 有限元模拟 处理措施
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U231;U451
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 研究背景及意义16-18
• 1.2 国内外研究现状18-22
• 1.2.1 岩溶发育机理及特征研究18
• 1.2.2 岩溶坍塌机理研究18-20
• 1.2.3 岩溶对运营隧道的影响研究20-21
• 1.2.4 淤泥土固结沉降对既有隧道影响的研究现状21-22
• 1.3 当前研究存在的主要问题22-23
• 1.4 本文研究的主要内容23
• 1.5 本文的研究方法与技术路线23-26
• 1.5.1 研究方法23-24
• 1.5.2 技术路线24-26
• 第二章 岩溶发育规律研究及塌陷原因分析26-35
• 2.1 岩溶的发育条件26-28
• 2.1.1 岩石的可溶性26-27
• 2.1.2 岩石的透水性27
• 2.1.3 水的流动性和溶蚀能力27-28
• 2.2 溶洞塌陷的原因分析28-31
• 2.2.1 开口岩溶孔隙及发育程度28-29
• 2.2.2 覆盖土层厚度、结构和性质29-30
• 2.2.3 地下水特征30-31
• 2.3 溶洞与淤泥组合地层中淤泥固结的原因分析31-32
• 2.4 溶洞与淤泥组合地层对隧道工程的危害32-33
• 2.4.1 岩溶塌陷对隧道的危害32-33
• 2.4.2 淤泥固结对隧道的危害33
• 2.5 本章小结33-35
• 第三章 岩溶区溶洞丧失平衡计算模型分析35-52
• 3.1 岩溶塌陷理论35-37
• 3.1.1 潜蚀论35-36
• 3.1.2 真空吸蚀论36-37
• 3.1.3 压强差论37
• 3.1.4 失托加荷论37
• 3.2 岩溶塌陷形成的力学条件分析37-38
• 3.3 岩溶塌陷阶段的致塌力学模型38-43
• 3.4 岩溶塌陷的极限平衡公式43-46
• 3.5 岩溶对地铁隧道既有结构影响的理论分析46-48
• 3.6 隧道与溶洞间安全厚度计算48-51
• 3.6.1 隧道与溶洞间岩层破坏机理分析48-49
• 3.6.2 隧道与溶洞间安全厚度计算49-51
• 3.7 本章总结51-52
• 第四章 淤泥土固结沉降对隧道的变形计算模型分析52-61
• 4.1 固结沉降相关理论52-56
• 4.1.1 Terzaghi一维固结理论52-54
• 4.1.2 Biot固结理论54-56
• 4.2 基本假设和基本方程56-57
• 4.2.1 基本假设56
• 4.2.2 基本方程56-57
• 4.3 模型建立与求解57-59
• 4.4 岩溶隧道流固耦合相互影响分析59-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第五章 广州地铁八号线北延段岩溶与淤泥组合地层中既有地铁隧道结构变形特性的有限元分析61-100
• 5.1 工程实例61-70
• 5.1.1 工程概况61-63
• 5.1.2 工程地质条件63-67
• 5.1.3 地质构造67-68
• 5.1.4 不良地质现象68-69
• 5.1.5 地下的补给、排泄及动态特征69-70
• 5.2 溶洞和淤泥的发育特点介绍70-72
• 5.2.1 溶洞发育特点介绍70-71
• 5.2.2 淤泥发育特点介绍71-72
• 5.3 岩溶和淤泥组合地层对地铁隧道影响的安全距离、力学条件和变形计算72-74
• 5.3.1 隧道与溶洞间安全厚度计算72-73
• 5.3.2 溶洞塌陷形成的力学条件计算73-74
• 5.3.3 淤泥地层中隧道的变形计算74
• 5.4 岩溶与淤泥组合地层区既有隧道结构的有限元模型的建立74-82
• 5.4.1 MIDAS/GTS简介74-77
• 5.4.2 有限元模型的基本假定和简化77
• 5.4.3 本构模型的选定77-79
• 5.4.4 模型尺寸及材料参数79-82
• 5.5 溶洞位于地铁隧道结构底部的数值模拟分析82-90
• 5.5.1 底部溶洞对圆形隧道的影响82-87
• 5.5.2 溶洞塌陷状态的判定87-89
• 5.5.3 溶洞塌陷状态分析89-90
• 5.6 不同溶洞直径塌陷状态下对圆形隧道的影响分析90-92
• 5.7 底部溶洞与隧道洞边距的变化对圆形隧道的影响92-95
• 5.8 淤泥固结变形对地铁隧道的影响95-98
• 5.9 本章小结98-100
• 第六章 岩溶与淤泥组合地层中溶洞和淤泥处理措施100-106
• 6.1 溶洞处理措施100-104
• 6.1.1 刚性嵌岩桩法100
• 6.1.2 不入岩刚性桩墩法100
• 6.1.3 复合地基法100-101
• 6.1.4 水泥土墩法101
• 6.1.5 岩面注浆法101
• 6.1.6 注浆填充法101-104
• 6.2 隧道下卧层淤泥土处理措施104-106
• 6.2.1 置换法104
• 6.2.2 胶结法104-106
• 第七章 结论与展望106-109
• 7.1 结论106-107
• 7.2 展望107-109
• 参考文献109-114
• 附录A 攻读硕士学位期间发表学术论文情况114-115
• 附录B 攻读硕士学位期间参与的科研项目115

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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  本文关键词：岩溶与淤泥组合地层中地铁隧道结构的变形特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：434841