浅埋软岩隧道失稳机理及塌方处理研究

摘要

本文在统计分析大量以往浅埋软岩公路隧道围岩失稳以致发生塌方灾害的研究成果上，以遵义子尹隧道施工中发生的塌方事故为具体案例，通过采用有限差分和离散元分析方法对隧道塌方进行计算，并对比分析两种方法的适应情况。着重分析了工程地质条件、节理裂隙发育、不同埋深等因素对隧道塌方灾害的影响，从而较全面的探讨出塌方产生的原因和机理，并根据子尹隧道塌方的原因和特点确定出相应的处治方法。论文主要研究工作和成果如下:
　　①通过统计分析以往浅埋软岩公路隧道塌方案例，对隧道塌方灾害类型进行了分类，并从中归纳出塌方的一些主要影响因素与相应的预防措施。
　　②以子尹隧道塌方事故为具体案例，用有限差分方法以及离散元方法对隧道塌方进行数值模拟计算。通过计算发现，在拱肩45°以上方向出现应力突变区域，而且该部分塑性区的面积明显，在一定范围内基本形成了剪切破坏，从塑性区的贯通来看，可以认为该处塌方已经发生。
　　③考虑节理化后岩体洞项以上部位，岩块沿着节理面发生了明显的滑移张开，失稳现象明显，塌方比较严重。由于塌方断面处岩体破碎，裂隙发育贯通，加之过大爆破振动使软弱结构面强度大大降低，最终导致塌方的产生。坍塌形式主要以拱顶以上岩体拱形冒落为主，坍塌拱形状已经明显形成，拱腰也有多处发生开裂，并引起地表下陷。根据塌方事故发生的原因和机理，提出了相应的处治方法。
　　④对比两种分析隧道塌方的数值方法，可以认识到有限差分的计算能表征出围岩塌方的初始性态，而离散元能通过岩体的渐进破坏分析以及块体大变形运动循环迭代计算，能较大程度的模拟实际塌方情况。
　　⑤最后采用离散元软件UDEC进行隧道塌方数值模拟的结果进行了综合分析，着重研究评价了不同埋深、不同的围岩级别、不同岩体节理化程度等因素对塌方事故的影响，从不同角度讨论了塌方事故的发生原因和机理。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道围岩稳定性研究

1．2．2 隧洞破坏机理研究

1．2．3 隧道塌方灾害常规预防措施研究

1．3 本文研究内容、研究思路、技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究思路

1．3．3 技术路线

第二章 公路隧道塌方类型及成因分析

2．1 公路隧道坍塌分类

2．1．1 按控制因素分类

2．1．2 按诱发因素分类

2．1．3 按塌方形态分类

2．1．4 按塌方规模分类

2．1．5 综合分类

2．2 隧道塌方成因分析

2．2．1 工程地质因素

2．2．2 围岩扰动因素

2．2．3 人为因素

2．3 公路隧道塌方机理分析

2．3．1 围岩破坏力学机理

2．3．2 隧道结构失稳分析

2．3．3 隧道围岩失稳判据

第三章 软弱围岩应力分析

3．1 软岩的概念和性质介绍

3．1．1 软岩的划分

3．1．2 软岩的力学性质

3．1．3 软岩的变形特性

3．2 岩体结构面概述

3．3 软弱结构面屈服准则

3．4 松散围岩压力计算

3．4．1 浅埋洞室松散压力传统计算方法

3．4．2 浅埋洞室松散压力修正计算方法

3．4．3 深埋洞室上松散压力计算方法

第四章 子尹隧道塌方灾害数值模拟分析

4．1 隧道塌方情况介绍

4．1．1 子尹隧道塌方概况

4．1．2 隧道结构设计

4．2 有限差分法及FLAC3D简介

4．3 子尹隧道塌方FLAC3D模拟分析

4．3．1 有限差分法计算原理

4．3．2 子尹隧道FLAC3D数值模拟分析

4．4 子尹隧道节理化断面UDEC模拟分析

4．4．1 离散元法计算原理

4．4．2 子尹隧道UDEC模拟分析

4．4．3 不同分析方法对比

4．4．4 子尹隧道塌方处理建议

4．5 本章小结

第五章 软岩隧道塌方机理分析

5．1 软弱围岩不同埋深塌方研究

5．2 软弱围岩不同节理塌方研究

5．3 不同围岩级别塌方研究

5．4 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