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富水岩溶区隧道施工围岩稳定性与临界安全距离研究

陆钰铨  
【摘要】:随着国家交通基建的不断投入,隧道及地下工程领域发展迅速,不可避免的在我国地质地形复杂的西部地区修建,岩溶灾害的问题也日益严重。在岩溶隧道的建设过程中,极易发生围岩失稳破坏而导致坍塌、突泥、突水等灾害,对隧道施工的安全、进度及成本产生了极大的影响。因此如何确保隧道围岩的稳定以及合理确定岩溶与隧道间的临界安全距离显得尤为重要,本文以阳宗隧道为工程背景,通过理论分析与数值计算方法对溶洞与隧道间围岩的稳定性及临界安全距离进行研究,以期为富水岩溶区的隧道施工与灾害防治提供参考,主要研究工作及成果如下:(1)阐明了岩溶的形成与发育机理,岩溶的发育主要受地层岩性、地质构造、地形地貌、地表地下水及自然条件的影响;根据不同的形态特征将岩溶类型进行了划分,统计分析了数十个典型的岩溶隧道灾害案例,根据不同的破坏特征将隧道岩溶的灾害模式进行了划分;以阳宗隧道为例,对工程地质概况、水文地质条件、岩溶分布及特征等进行了全面分析,为岩溶隧道安全施工与灾害防治的研究提供了依据。(2)采用两端固支梁模型,基于抗弯与抗剪强度理论建立了溶洞分别位于隧道顶部、底部、侧部时的临界安全距离公式;采用数值模拟软件进行了正交试验(共48个数值试验方案),通过回归分析建立了隧道与不同方位溶洞间的临界安全距离公式;分析得出,临界安全距离随围岩水平、溶洞水压及溶洞尺寸的增大而增大,其综合影响程度从大到小可排序为围岩水平溶洞水压溶洞尺寸;将研究得出的临界安全距离预测模型应用于实际工程案例,结果表明基于强度理论预测出的安全距离较为保守,基于数值试验预测的结果与设计的预留距离较接近。(3)采用FLAC~(3D)软件建立了三维数值模型研究溶洞位于隧道正前方时隧道开挖对围岩稳定性的影响,隧道围岩应力分布特征为围岩整体受压,拱顶与仰拱处围岩在低应力区,拱腰至墙脚处围岩在高应力区;隧道围岩的位移分布特征为拱顶围岩往下沉降,仰拱围岩往上隆起,掌子面围岩往临空面移动;隧道围岩的孔隙水压力分布特征为掌子面附近围岩处于孔隙水压力低值区,隧道掌子面的渗流现象明显;溶洞前方2m的监测断面上围岩的应力、位移及孔隙水压力在一定开挖影响范围内会发生急剧突变;隧道围岩级别越大(1~4),围岩应力释放率越大,围岩位移量越大,塑性区越早贯通,临界安全距离范围在2~7m;溶洞水压越大(0.6MPa~1.8MPa),掌子面围岩的轴向位移越大,孔隙水压力消散速率越大,塑性区越早贯通,临界安全距离范围在3~6m;全断面法开挖比台阶法更容易导致掌子面围岩失稳破坏,临界安全距离范围在4~6m。(4)从岩溶地质灾害预防的角度研究了岩溶隧道的地质探测技术、安全监测技术、风险评估方法以及灾害预警方法;从岩溶地质灾害治理的角度研究了注浆堵水加固技术、排水降压技术以及绕避跨越技术;依托阳宗隧道工程案例,根据其地质条件及岩溶发育特征分析了超前地质预报、施工优化、监控量测、灾害预警等具体的预防措施,根据不同涌水量、不同溶洞类型及不同溶洞位置分析了具体的治理措施。(本文共有图142幅,表24张)


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