【博士】高水壓充填型巖溶隧道穩(wěn)定性研究【2009】

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內(nèi)容簡介

　　學(xué)科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：西南交通大學(xué)　　學(xué)位年度： 2009年　　本文總結(jié)了巖溶隧道施工過程中發(fā)生突水突泥的基本規(guī)律；利用突變理論和巖體斷裂力學(xué)分析了隧道突水突泥的機(jī)理；對(duì)隧道掌子面附近區(qū)域存在高壓水的狀況下的掌子面圍巖穩(wěn)定性以及水壓對(duì)襯砌內(nèi)力的影響進(jìn)行了相似模型試驗(yàn)研究；對(duì)隧道掌子面前部及拱頂部存在高壓充水溶洞巖溶隧道施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值分析；根據(jù)對(duì)巖溶隧道突水、突水機(jī)理的分析結(jié)果，提出了巖溶隧道突水突泥的防治原則。本文主要研究內(nèi)容包括：　　(1)介紹了我國4個(gè)典型巖溶隧道(洞)在現(xiàn)場施工中發(fā)生的突水突泥情況，總結(jié)出隧道巖溶突水突泥的基本規(guī)律?！　?2)隧道圍巖突水失穩(wěn)是一個(gè)典型的突變失穩(wěn)過程，將突變理論首次應(yīng)用于隧道突水的研究之中。假定隧道底部有高壓充水溶洞，根據(jù)充水溶洞的大小關(guān)系，將溶洞頂板簡化為四周固支的大變形橢圓形板、矩形板和固支梁3種模型。通過研究隧道底板系統(tǒng)能量的失穩(wěn)，建立了預(yù)測隧道底板突水的尖點(diǎn)突變模型，導(dǎo)出了系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)受力的臨界值及失穩(wěn)時(shí)底板變形和能量釋放的表達(dá)式，為巖溶隧道突水預(yù)報(bào)提供了新的理論方法?！　?3)從兩個(gè)方面探討了隧道圍巖突水失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理。首先，根據(jù)裂隙巖體裂紋面的應(yīng)力狀態(tài)，從斷裂力學(xué)角度將高壓水頭作用下巖體的裂紋擴(kuò)展分為拉剪復(fù)合擴(kuò)展和壓剪復(fù)合擴(kuò)展，應(yīng)用工程近似裂紋復(fù)合失穩(wěn)準(zhǔn)則，分別推導(dǎo)出兩種破壞模式的臨界水壓計(jì)算公式；基于最大周向正應(yīng)力理論，研究并給出了復(fù)合型裂紋在不同應(yīng)力狀態(tài)及化學(xué)損傷作用下擴(kuò)展的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子和擴(kuò)展方向角。其次，隧道開挖使高壓充水溶洞與隧道掌子面間的距離減小，由于掌子面安全巖盤厚度不夠引起圍巖突水失穩(wěn)?！　?4)以幾何相似比C，=30和容重相似比c，=l為基礎(chǔ)相似比，實(shí)現(xiàn)在彈性范圍內(nèi)各控制性物理力學(xué)參數(shù)的全相似性，對(duì)圍巖特征、物性、原始地應(yīng)力場、支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和支護(hù)時(shí)機(jī)、開挖步驟進(jìn)行了相似模擬。模型試驗(yàn)獲得了隧道掌子面附近區(qū)域存在高壓充水溶洞的狀況下的掌子面圍巖軸向位移的變化規(guī)律以及隧道周圍有高壓充水溶洞時(shí)的水壓、間距和圍巖級(jí)別變化對(duì)襯砌內(nèi)力的影響。　　(5)以隧道掌子面前部和拱項(xiàng)部存在高壓充水溶洞隧道為例。采用三維快速Lagrange法，對(duì)隧道全斷面開挖與支護(hù)過程中的力學(xué)行為進(jìn)行研究，獲得高水壓充填型巖溶隧道在動(dòng)態(tài)分步開挖、分步支護(hù)情況下圍巖位移、應(yīng)力和圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形特征。　　(6)總結(jié)了國內(nèi)外現(xiàn)有隧道(洞)施工涌水處理技術(shù)與成功經(jīng)驗(yàn)，提出在高壓富水段采用分流減壓措施而后進(jìn)行帷幕注漿止水，對(duì)突發(fā)性涌水采用快速封堵、分流減壓、注漿止水等應(yīng)急處理方案。　　

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