隧道坍方处治的数值模拟与优化分析

摘要

我国西南地区山区分布广泛，地形地貌条件极为复杂，在这些地方修筑公路或者铁路，隧道工程往往占有很大的比重，而在隧道修建的过程中遇到的围岩稳定性问题日益突出，隧道坍方是其中最常见的灾害现象之一。它具有高危性、高频性以及高突发性等特点，若治理不当，不但延缓工期，而且增加建设成本，还会留下重大安全隐患。因此，对坍方事故的影响因素和处治方法进行总结，对以后隧道的快速、安全施工具有较大的实际意义。
　　本文采用理论分析总结与数值模拟手段，对隧道坍方类型及处治方法、隧道坍方处治典型措施作用机制及隧道坍方处治施工过程力学行为进行了研究，最后总结了隧道坍方处治设计的基本原则和优化途径，获得的主要成果如下:
　　(1)通过对诸多隧道坍方事故案例的分析，总结出隧道坍方的影响因素主要有不良的地质条件、地下水、设计因素、施工和管理因素。并从规模大小、机理、控制因素和坍方位置的角度对隧道坍方进行系统分类。
　　(2)结合隧道坍方预支护原理，采用理论分析和力学推导方法研究了超前小导管注浆、管棚和喷锚支护等典型支护措施的作用机制，建立了管棚在隧道开挖中的力学模型，采用FLAC3D软件对不同工况钢拱架支护下的围岩应力、位移情况进行数值模拟分析，研究得出:1）钢拱架的设置，对拱脚应力集中现象有抑制作用，同时能够减少拱顶出现低应力区的范围，并可以有效抑制拱顶和底板的竖向位移;2）随着钢拱架设置间距的加大，其拱内最大轴力和弯矩值均有增加;3）钢拱架的最大轴力主要发生在拱顶处，最大弯矩主要发生在拱腰和拱顶处，拱脚处弯矩很小。
　　(3)以广甘高速公路沈家山隧道坍方事故为依托，通过FLAC3D数值计算软件模拟分析坍方段施工力学行为引起的围岩应力场、位移场和塑性区变化规律，得出:1）拉应力最大主应力出现在拱顶60°范围以及底板中央，压应力最大主应力出现在隧道中间部分的拱脚处;2）拱顶下沉最大位移主要分布在拱顶60°范围内，底板隆起最大位移主要分布在底板中央1/3处;3）随着开挖的进行，坍腔中央也开始出现塑性区（以拉伸屈服为主），拱脚塑性区（以剪切屈服为主）范围明显增大，且向围岩深处发展，若不加以控制，拱脚部位可能会发生剪切破坏。4）结果表明处治措施在整个坍方治理过程中发挥了积极的作用，且拱脚和拱顶60°范围是本次坍方处治施工中应当重点支护的部位。
　　(4)隧道坍方处治一般应遵循“先治水、后加固、防扩大、再处理”的基本原则，在有条件的前提下“宁早勿迟”，以达到安全、快速、经济的工程目的。并从开挖手段和方法的选择、支护方式的选取、信息化指导施工、施工管理水平的提高等方面阐述隧道坍方处治优化设计的基本途径。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 坍方影响因素分析现状

1．2．2 坍方机制的模拟研究现状

1．2．3 坍方处治方法研究现状

1．2．4 坍方支护加固机制研究现状

1．2．5 坍方处治存在的主要问题

1．3 论文研究思路、内容及技术路线

1．3．1 研究思路

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

第2章 隧道坍方类型及影响因素研究

2．1 工程实例分析

2．1．1 杨家山隧道右洞K22+624坍方

2．1．2 杜家山隧道左洞K15+808坍方

2．1．3 杜家山隧道K15+218坍方

2．1．4 沈家山隧道左洞K9+565坍方

2．2 隧道坍方分类

2．2．1 按坍方规模分类

2．2．2 按坍方机理分类

2．2．3 按控制因素分类

2．2．4 按坍方位置分类

2．3 隧道坍方的影响因素

2．3．1 不良地质条件

2．3．2 地下(表)水因素

2．3．3 设计因素

2．3．4 施工和管理因素

2．4 本章小结

第3章 常见隧道坍方支护作用机制及处治技术研究

3．1 隧道坍方处治预支护原理

3．2 超前小导管注浆机制

3．2．1 小导管自身支护原理

3．2．2 小导管浆液加固原理

3．2．3 小导管与浆液的协同作用

3．3 管棚支护作用机制

3．3．1 管棚作用机理

3．3．2 管棚力学模型

3．3．3 管棚设计原则和适用范围

3．4 喷锚支护作用机制

3．4．1 喷混凝土的支护作用

3．4．2 锚杆作用机理

3．4．3 锚杆与混凝土的协调作用

3．5 钢拱架支护机制

3．5．1 钢拱架支护作用原理

3．5．2 钢拱架支护的受力分析计算

3．5．3 钢拱架支护数值模拟

3．6 常见坍方处治技术概括

3．6．1 浅埋隧道坍方处治

3．6．2 隧道洞口段坍方处治

3．6．3 隧道通过断层破碎带坍方处治

3．7 本章小结

第4章 隧道坍方处治施工过程力学行为模拟分析

4．1 工程背景

4．1．1 地质条件概况

4．1．2 ZK9+595~ZK9+610段坍方概述

4．2 坍方原因分析和处治情况

4．2．1 坍方原因分析

4．2．2 坍方处治情况

4．3 坍方处治施工过程力学行为数值模拟

4．3．1 计算模型建立

4．3．2 模型参数的选取

4．3．3 计算结果分析

4．4 本章小结

第5章 隧道坍方处治设计的基本原则和优化途径

5．1 隧道坍方处治设计的基本原则

5．2 开挖手段和方法的选择

5．2．1 开挖能量最小原则

5．2．2 开挖方式的选择

5．3 支护方式的选取

5．3．1 支护优化原理

5．3．2 选择支护类型

5．4 信息化指导施工

5．4．1 信息化施工的内容

5．4．2 信息采集

5．4．3 信息处理

5．4．4 信息反馈

5．5 施工管理水平的提高

5．6 本章小结

主要结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果