富水区隧道掌子面稳定性分析及防排水结构体系研究

摘要

随着我国国民经济的突飞猛进，山中城也得到了空前的发展，现有盘山式交通路网已无法满足山中城市日益增长的交通需求。近年来以桥隧为主的高速公路、高速铁路能够大幅缩短出行时间。而山区地质环境多变，施工难度大、地质灾害风险高，其中富水区隧道的安全问题尤为突出。本文旨在：探究施工阶段富水区隧道穿越断层破碎带掌子面的稳定性，并配套掌子面稳定控制技术；针对运营阶段隧道仰拱易发病害，提出新型防排水网络体系，保障隧道后期运营安全可靠。 论文基于流-固耦合原理，采用Flac3D软件建立有限差分模型，以贵州省“678网”规划“三穗至施秉高速公路”中的都府隧道为研究背景，对富水区修建山岭隧道穿越断层破碎带以及后期防排水网络体系进行系统研究。其成果如下： 1、结合都府隧址区域水文地质及施工资料，采用 Visual-Modeflow 软件建立了水文地质模型；通过研究隧址区完整的水文年稳定流计算模拟，验证了参数的正确性；模拟有无止水措施情况下隧址区域地下水的渗流场分布及变化规律，评估了隧道运营后周边区域的地下水环境恢复情况，预测了隧道穿越断层区域的涌水量并初步评判掌子面稳定性； 2、基于突水突泥地层掌子面稳定性分析力学模型，模拟掌子面渗透破坏以及失稳过程，提出掌子面稳定性评价方法，探明了掌子面失稳破坏过程，确定了不同工况下防突体极限厚度；建立高位排水—注浆耦合演化模型，研究不同位置、数量的排水导管对前方开挖区的卸压能力，配套不同工况下的高位排水方案，为隧道施工顺利通过断层破碎带提供保障； 3、根据都府隧道地质条件及设计资料，研究不同水头、不同环向盲管间距对渗流场的影响，引入平均卸压系数，评价外部因素（水头高度）及内部因素（盲管间距）对防排水体系卸压能力的影响程度，确定合理的环向盲管间距；针对现有防排水体系网络弊端，提出“盲管廊道一体式防排水网络体系”，解决隧底水压偏大造成的仰拱填充上浮变形、基底承载力下降等问题； 4、采用弹性梁、弯矩—曲率梁两种模型对比分析了新型与传统型排水网络结构受力特征，新型结构受力整体偏小，减缓了墙脚部位的内力峰值效应，结构形变比传统更小，特别是仰拱的隆起位移，更偏于安全。

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