水下隧道断层破碎带段掌子面稳定性分析方法研究

摘要

随着我国交通基础设施建设的迅速发展，各种跨江跨海的水下隧道大量涌现，而水下隧道的修建不可避免的会遇到隧道穿越断层破碎带的情况。由于断层破碎带围岩力学性质差，和江水连通，其施工难度大，风险高，极易产生掌子面坍塌、突涌水等工程事故。因此，对水下隧道破碎带段掌子面的稳定性进行研究，确定隧道穿越该类地段的具体加固措施，对保证水下隧道破碎带段的施工安全意义重大。
　　 本文以国家自然科学基金项目和中铁隧道局科研项目为依托，以长沙市营盘路湘江隧道为工程背景，采用理论推导和数值分析的方法对营盘路隧道施工掌子面稳定性进行分析，主要完成了以下几方面的工作:
　　 (1)基于Janssen筒仓理论和Horm掌子面稳定性分析模型，采用理论推导的方法对水下隧道断层破碎带段施工掌子面稳定性进行分析，推导了考虑地下水渗透力作用的掌子面稳定系数的计算表达式。
　　 (2)运用Janssen筒仓理论，建立了注浆加固圈的弹性地基梁力学模型和Pasternak地基梁控制微分方程及注浆圈挠度方程，推导出了加固圈地基反力的计算表达式，进而建立了注浆加固条件下水下隧道掌子面稳定系数的计算方法。
　　 (3)采用理论推导得到的计算公式，对营盘路湘江隧道不加固和注浆加固条件下F1和F3断层破碎带段隧道施工掌子面的稳定性进行了计算分析，确定了营盘路湘江隧道破碎带段合理的加固圈厚度。
　　 (4)采用数值模拟的方法对营盘路湘江隧道断层破碎带段掌子面稳定性进行分析，并与理论计算的结果进行对比分析，验证了理论推导方法的正确性。
　　 (5)本文提出的分析方法可以用来分析水下隧道施工掌子面的稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究意义

1．1．2 依托工程概况

1．2 国内外研究现状

1．2．1 掌子面稳定性研究现状

1．2．2 流固耦合研究现状

1．2．3 研究现状综述

1．3 论文主要研究内容

第二章 水下隧道破碎带段施工掌子面稳定性分析

2．1 水下隧道破碎带段施工掌子面稳定性分析模型

2．1．1 Janssen筒仓理论

2．1．2 分析模型的提出

2．2 考虑地下水渗透力的掌子面稳定性分析方法

2．3 水下隧道施工渗透力的确定

2．4 营盘路隧道破碎带段掌子面稳定性分析

2．5 本章小结

第三章 注浆加固条件下水下隧道掌子面稳定性分析

3．1 超前注浆加固隧道掌子面稳定性分析模型

3．2 作用于注浆加固圈上的荷载

3．2．1 围岩压力

3．2．2 静水压力

3．2．3 动水压力

3．3 注浆加固圈弹性地基梁分析模型

3．3．1 弹性地基粱力学模型的建立

3．3．2 Pasternak地基梁的控制微分方程

3．3．3 控制微分方程的求解

3．3．4 注浆圈的挠度方程

3．4 营盘路隧道注浆加固条件下掌子面稳定性分析

3．4．1 注浆加固条件下的稳定系数

3．4．2 注浆加固参数对掌子面稳定系数的影响

3．4．3 注浆加固圈的合理加固厚度

3．5 本章小结

第四章 营盘路隧道破碎带段掌子面稳定性数值模拟分析

4．1 水下隧道流固耦合的分析理论

4．2 数值分析计算模型与计算参数

4．2．1 计算模型

4．2．2 模型参数及边界条件

4．2．3 施工模拟

4．3 不加固条件下营盘路隧道破碎带施工安全性分析

4．3．1 孔隙水压力场分析

4．3．2 渗流流速分析

4．3．3 初期支护应力分析

4．3．4 位移分析

4．3．5 塑性区分析

4．3．6 掌子面稳定系数

4．4 注浆加固条件下营盘路隧道破碎带施工安全性分析

4．4．1 孔隙水压力场分析

4．4．2 渗流流速分析

4．4．3 初期支护应力分析

4．4．4 位移分析

4．4．5 塑性区分析

4．5 合理加固圈厚度

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 存在的问题及展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及科研情况