基于施工扰动-雨水渗透耦合的水工隧道洞口段稳定性研究

摘要

水工隧道洞口段一般处于受地表水侵蚀严重、风化裂隙发育的斜坡面上，加上洞口段埋深往往较浅，支护结构上部岩土体难以形成承载拱。因此洞口段在经过开挖施工扰动后地层表面极易受拉开裂，如果施工期又处在雨季时，雨水经地表全风化层或者裂缝进行下渗，很容易造成洞口段塌方冒顶，因此研究施工扰动-雨水渗透耦合作用下隧道洞口段的稳定性研究具有极为重要的意义。本文以某浅埋隧道洞口段为工程依托，在现有的研究成果基础上，针对隧道洞口段中存在雨水渗透和施工扰动问题采用理论分析、现场监测和数值模拟等方法进行研究，具体研究内容如下:
　　(1)对岩体工程反分析法进行了归纳总结，建立了位移分析结果的检验方法;对雨水渗透下破碎风化岩体中存在的各种物理化学作用过程进行了分析，解释了破碎岩体强度在雨水渗透下的变化情况以及孔隙水压力在其中作用形式。
　　(2)参考国内相关规范并结合某浅埋隧道洞口段的实际情况，制定相应的监控量测计划，对某隧道洞口段的围岩以及支护结构的受力变形情况进行监测，对监测后得出的数据进行分析研究;同时对隧道洞口段进行超前地质预报，结合探测数据对洞口段的工程地质进行分析。
　　(3)基于监控量测得到的数据，并结合黄金分割的优化参数法建立数值模型对隧道围岩的力学参数（变形模量E、粘聚力c、内摩擦角φ）来反演，对反分析演的结果进行了检验。
　　(4)将位移反分析法得出的围岩参数作为分析洞段最终的围岩参数，建立数值分析模型，对不同降雨持续时间、不同施工工法时雨水渗透-施工扰动耦合作用下隧道洞口围岩以及支护结构的稳定性进行数值模拟，研究表明:雨水随着时间持续在土体中逐步往下渗透，隧道周围的岩土体的饱和度表现出梯度变化的规律，降雨作用下湿润锋线逐步往下移，雨水的下渗增大了隧道拱顶上覆土的重量，其产生的渗流力对隧道的稳定性影响要弱于增加重力的影响;施工扰动-雨水渗透耦合作用下隧道稳定性最差，雨水渗透的作用要弱于施工扰动的作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题依据及研究目的

1．2 国内外研究现状

1．2．1 施工扰动对隧道洞口段稳定性影响研究现状

1．2．2 降雨渗透下岩土体中非饱和渗流的研究现状

1．2．3 围岩参数反演研究现状

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 隧道洞口段稳定性理论

2．1 岩土工程反分析基本理论

2．1．1 岩土工程反分析的基本概念及意义

2．1．2 位移反分析的常用方法

2．1．3 位移反分析结果的检验

2．2．1 雨水对破碎岩体化学作用

2．2．2 雨水对破碎岩体结构的软化作用

2．2．3 雨水对破碎岩体的物理作用

2．2．4 孔隙水压力对岩体应力状态的影响

第三章 隧道洞口段监控量测及超前地质预报

3．1 工程概况

3．1．1 地层岩性

3．1．2 地质构造

3．1．3 水文地质

3．2．1 洞口围岩变形监测内容

3．2．2 洞口围岩变形监测方法

3．2．2 监测频率

3．3 洞口段围岩变形的主要影响因素

3．3．1 围岩级别

3．3．2 施工方法

3．3．3 设计因素

3．4 洞口段超前地质预报报告分析

3．5 洞口段监测数据分析

3．6 本章小结

4．1 岩土工程数值分析方法

4．1．1 FLAC3D简介

4．1．2 三维快速拉格朗日分析方法

4．2．1 隧道围岩反分析介质模型

4．2．2 隧道围岩位反分析参数确定

4．3 位移反分析计算的原理和过程

4．3．1 单个或多个参数反分析

4．3．2 FLAC3D实施位移反分析的程序

4．4．1 计算模型和本构关系的选取

4．4．2 监控数据

4．4．3 数值计算结果分析

4．4．4 参数反演结果分析

4．5 本章小结

第五章 施工扰动-雨水渗透下隧道洞口段稳定性分析

5．1 渗流微分方程

5．2 FLAC两相流理论

5．3 不同降雨持续时间下隧道洞口稳定性数值模拟

5．3．1 数值计算模型

5．3．2 渗透-应力场分布

5．3．3 围岩位移变化分析

5．3．4 剪切应变增量变化分析

5．3．5 初期支护内力变化分析

5．4 不同施工工法下雨水渗透洞口段数值模拟

5．4．1 最终围岩竖向位移分析

5．4．2 最终初期支护轴力分析

5．4．3 围岩塑性区分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果