溶洞与隧道间岩层安全厚度研究

摘要

在岩溶地区的隧道开挖过程中，会碰到各式各样的隐伏溶洞；当溶洞与隧道间的岩层达到多厚时，溶洞才不会对隧道的施工安全造成影响是在岩溶地区设计及施工过程中亟待解决的问题之一。本文以广西六寨至河池高速公路瑶寨隧道为研究背景，对溶洞与隧道间岩层的安全厚度进行数值模拟分析，揭示各因素对岩层安全厚度的影响规律，建立既满足隧道开挖和运营的安全要求，又满足隧道建设的经济性要求的溶洞与隧道间岩层安全厚度预测模型，为实际的工程提供理论依据和技术支撑。
　　 采用大型有限元软件ANSYS建立二维溶洞与隧道有限元模型，对岩层安全厚度的主要影响因子进行分析，可知岩层重度、溶洞跨度、溶洞高跨比、隧道埋深4个影响因子与溶洞与隧道间岩层安全厚度呈增函数关系；岩层的内摩擦角、粘聚力、泊松比3个影响因子与安全厚度呈减函数关系；隧道埋深、溶洞跨度和岩层内摩擦角对安全厚度的影响最大，岩层粘聚力、泊松比以及重度的影响次之，溶洞高跨比影响较小；岩层的弹性模量对塑性区的影响甚微，对溶洞与隧道间岩层安全厚度基本没有影响。
　　 在数值模拟的基础上，运用线性回归方法对影响溶洞与隧道岩层安全厚度的影响因子进行了多元线性回归分析，分别建立了适用于马蹄形隧道的顶部、侧部和底部溶洞与隧道间岩层安全厚度预测模型。
　　 考虑到岩体中存在大量的软弱夹层、节理裂隙、岩脉和断层破裂带等不连续结构面，依据强度折减法对岩层粘聚力和内摩擦角进行折减，修正了溶洞与隧道间岩层的安全厚度预测模型。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩溶区隧道岩层破坏机理研究现状

1.2.2 溶洞与隧道岩层安全厚度研究现状

1.3 本论文主要研究内容

1.4 技术路线

第二章 隧道围岩基本理论及失稳机理分析

2.1 地下工程围岩应力基本理论分析

2.1.1 圆形洞室围岩应力弹性分析

2.1.2 圆形洞室围岩应力弹塑性分析

2.1.3 非圆形洞室围岩应力分析

2.2 围岩破坏机理分析

2.2.1 拉伸破坏机理

2.2.2 剪切破坏机理

2.3 本章小结

第三章 溶洞与隧道间岩层安全厚度数值模拟分析

3.1 ANSYS在隧道中的应用简介

3.1.1 屈服准则的选用

3.1.2 溶洞与隧道间安全厚度影响因子

3.2 底部溶洞与隧道间岩层安全厚度数值模拟分析

3.2.1 有限元模型的建立

3.2.2 各影响因子对隧道底部安全厚度影响分析

3.2.3 底部溶洞与隧道间岩层安全厚度预测模型

3.2.4 考虑行车荷载下的隧道底板安全厚度分析

3.3 顶部溶洞与隧道间岩层安全厚度数值模拟分析

3.3.1 有限元模型的建立

3.3.2 各影响因子对顶部安全厚度影响分析

3.3.3 顶部溶洞与隧道间岩层安全厚度预测模型

3.4 侧部溶洞与隧道间岩层安全厚度数值模拟分析

3.4.1 有限元模型的建立

3.4.2 各影响因子对顶部安全厚度影响分析

3.4.3 侧部溶洞与隧道间岩层安全厚度预测模型

3.5 本章小结

第四章 基于强度折减法的岩层安全厚度分析

4.1 强度折减法简介

4.2 强度折减法在隧道中的应用

4.3 考虑强度折减法下的安全厚度预测模型

4.4 工程实例应用

4.5 本章小结

第五章 结论及展望

5.1 主要结论

5.2 有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参与的课题