广州地铁隐伏型岩溶地基稳定性分析及充填处理技术研究

摘要

近年来，广州地区大规模的轨道交通建设，各线均不同程度的穿越岩溶发育区，针对区域岩溶地质环境，开展岩溶地基稳定性与承载力分析，寻求岩溶充填处理新材料、新工艺，对广州市及珠三角地区乃至全国的地铁建设和地下空间开发，具有重要的指导意义。
　　本文在大量国内外文献基础上，对广花盆地的地质形成条件及构造背景、气象水文条件进行了归纳综述;通过模型试验和数值模拟相结合，对隐伏型岩溶地基稳定性包括对盾构施工期间的地基稳定性进行了系统分析;采用室内试验获得注浆浆材配比、现场原位充填注浆加固试验效果验证及数值分析论证手段相结合对新型粘土水泥浆液充填处理隐伏型岩溶地基的可行性进行了研究。本文主要研究内容如下:
　　(1)通过广州地铁丰要线路勘察资料的收集、整理和分析，获得了岩溶的空间分布规律;统计分析了各线溶洞首见顶板高度、顶板厚度、溶洞尺寸、位置，提出岩溶地质概化模型;研究了岩溶形成机理、发育规律和影响因素以及造成地面塌陷、下沉的原因。
　　(2)根据相似定理确定相似材料的物理力学指标，选取合适的混合料并进行系列配比试验，最大限度满足相似准则，寻找相似材料的最佳配比;设计了平面应变试验模型，研究了隧道底部溶洞位置的分布对极限承载力的影响，通过逐级施加荷载，获得了岩溶地基渐进性破坏特征，分析周围地层应力和位移的变化规律。
　　(3)基于极限分析上限有限元理论，针对岩溶隧道地基破坏模式可能出现难以精确模拟的剪切带问题，提出了一种单元耗散能密度判定指标的网格自适应加密方法并编程实现，应用该程序对岩溶隧道地基极限承载力展开多工况计算分析，讨论了地基极限承载力及破坏模式的变化规律，与模型试验结果对比，吻合较好。
　　(4)结合依托工程典型地层条件，对地铁隧道施工穿越岩溶地区时的施工过程进行三维有限元数值模拟，分析了地铁盾构施工过程中溶洞的大小、位置、与隧道间距及岩溶洞形状等对岩溶地基稳定性的影响。
　　(5)结合依托工程具体工点，就地取材，现场取土进行了室内粘土水泥浆液的配比试验，对粘土水泥浆结石体的强度和适用性进行研究;在试验段进行了现场充填加固原位试验，获取该类注浆的施工工艺和质量控制措施;并采用数值分析方法对溶洞处理前、后地层的受力和变形进行了分析，结合现场监控量测和检测试验论证了该充填处理方案的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩溶隧道工程地质研究现状

1．2．2 岩溶地基稳定性分析研究现状

1．2．3 极限分析上限法在隧道稳定性分析中的应用现状

1．2．4 岩溶隧道数值分析研究现状

1．2．5 岩溶隧道模型试验研究现状

1．2．6 地铁隧道溶洞处治技术研究现状

1．3 本文的研究内容

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究思路与方法

第2章 广州地铁岩溶发育区域地质环境条件分析

2．1 概述

2．2 岩溶形成条件分析

2．2．1 地层条件

2．2．2 地质构造分区

2．2．3 断裂带与轨道交通线路关系

2．2．4 气象、水文地质条件

2．3 广州地区轨道交通沿线岩溶发育特征

2．4 岩溶发育规律分析

2．4．1 岩溶与岩性的关系

2．4．2 岩溶与地质构造的关系

2．4．3 岩溶与地形的关系

2．4．4 岩溶与新构造运动的关系

2．4．5 地表水体与岩层产状的关系对岩溶发育的影响

2．4．6 岩溶与气候的关系

2．4．7 与水位升降关系

2．4．8 岩溶发育的带状性和成层性

2．5 第三纪岩溶发育情况

2．5．1 溶洞高度

2．5．2 溶洞顶板厚度

2．5．3 首见溶洞顶板埋深

2．6 地面塌陷、地面下沉和地裂缝

2．6．1 概述

2．6．2 地面塌陷与下沉一般规律

2．6．3 地面塌陷与下沉成因分析

2．7 土洞

2．7．1 土洞形成过程

2．7．2 土洞的分类

2．7．3 土洞的形成条件

2．8 小结

第3章 盾构隧道岩溶地基稳定性相似模型试验研究

3．1 相似理论

3．1．1 相似理论基本术语

3．1．2 相似三定理

3．1．3 相似准则的导出

3．2 岩土相似材料试验研究

3．2．1 概化参数的提出

3．2．2 相似材料的选取

3．2．3 材料物理力学参数的试验确定

3．3 相似模型试验研究

3．3．1 模型试验装置

3．3．2 试验方案

3．4 试验结果整理及分析

3．4．1 第一组试验结果整理

3．4．2 第二组试验结果整理

3．4．3 串珠型岩溶地基极限承载力试验结果

3．4．4 试验结果对比分析

3．5 小结

第4章 溶洞对盾构隧道地基极限承载力影响规律分析

4．1 引言

4．2 上限有限元基本理论及数值求解方法

4．2．1 极限分析上限法理论

4．2．2 上限有限元理论

4．2．3 上限有限元非结构化网格自适应加密策略

4．2．4 非关联流动法则在上限有限元中的处理方式

4．2．5 隧道稳定性上限有限元算例验证

4．3 盾构隧道岩溶地基极限承载力自适应上限有限元分析

4．3．1 隧道岩溶地基极限承载力上限有限元解与模型试验对比

4．3．2 溶洞顶板厚度对隧道地基极限承载力影响分析

4．3．3 溶洞顶板跨度对隧道地基极限承载力影响分析

4．3．4 串珠型溶洞对隧道地基极限承载力影响分析

4．4．5 荷载分布形式对隧道地基极限承载力影响分析

4．4 小结

第5章 岩溶对盾构隧道开挖过程影响的数值分析

5．1 引言

5．2 三维弹塑性有限元基本理论

5．2．1 屈服条件

5．2．2 硬化定律

5．2．3 流动法则

5．2．4 加载和卸载准则

5．2．5 岩土材料弹塑性本构关系

5．2．6 弹塑性体的增量理论

5．3 盾构隧道开挖的有限元数值模拟

5．3．1 岩土体本构模型的选取

5．3．2 分析软件简介

5．3．3 计算模型的建立与方案的选取

5．4 有限元计算结果分析

5．4．1 溶洞在隧道正左侧方

5．4．2 溶洞在隧道正下方

5．4．3 溶洞对同一断面上不同点之间水平位移值的影响

5．5 小结

第6章 地铁溶(土)洞注浆充填材料试验研究

6．1 引言

6．2 岩溶注浆材料的选择及存在的问题

6．2．1 水泥类浆液

6．2．2 粉煤灰水泥浆液

6．2．3 粘土固化浆液

6．2．4 试验研究思路及试验段选择

6．3 粘土固化注浆材料实验研究

6．3．1 浆液制备原料的选择

6．3．2 粘土矿物成分分析

6．3．3 试验方案的选择

6．3．4 试验指标的测定

6．3．5 试验结果分析

6．3．6 养护条件分析

6．4 粘土水泥浆材现场充填加固试验研究

6．4．1 处理原则和加固试验设计

6．4．2 现场原位试验及工艺

6．4．3 监测与试验测试

6．4．4 原位充填注浆加固试验效果评价

6．5 粘土浆液注浆加固数值分析

6．5．1 模型的建立与参数选择

6．5．2 有限元计算结果分析

6．5．3 小结

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 本文研究工作的总结

7．2 有待于进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表学术论文及科研情况