基于离散元法的富水软弱地层隧道掌子面稳定性研究

摘要

以“一带一路”战略为契机，长大深埋、跨江越海隧道将迎来新的建设高潮，而复杂地质问题逐渐成为制约其发展的瓶颈。工程实践表明，隧道穿越碎屑流地层和饱水砂性地层将面临严峻的施工安全问题。本文针对隧道碎屑流灾害和饱水砂性地层的典型特征（松散、富水），围绕隧道掌子面稳定性问题，基于三维颗粒离散元流固耦合方法，从细观尺度对掌子面力学行为进行数值分析研究;在此基础上，通过理论分析建立相应的掌子面稳定性计算方法。研究成果为隧道穿越碎屑流地层和饱水砂性地层的掌子面稳定性控制奠定了基础。本文主要研究成果如下:
　　1、根据隧道碎屑流灾害区域地质特征，采用三维颗粒离散元流固耦合方法，建立了隧道碎屑流灾害数值分析模型，从细观尺度对隧道碎屑流灾害掌子面灾变失稳行为进行了研究，再现了隧道碎屑流灾害的分阶段演化过程，提出了隧道碎屑流灾害的判识方法，分析了隧道碎屑流灾害的主要影响因素，探明了隧道碎屑流灾害的破坏机理。
　　2、在隧道碎屑流灾害掌子面灾变失稳行为研究成果的基础上，通过经验方法、理论方法和数值方法等手段，建立了隧道碎屑流灾害掌子面前方岩盘临界安全厚度的计算方法，为实现围岩状态由灾变到渐变甚至稳定的转变奠定基础。
　　3、根据饱水砂性地层的物理力学特性，采用三维颗粒离散元流固耦合方法，建立了掌子面稳定性研究数值分析模型，从细观尺度对渗流条件下饱水砂性地层隧道掌子面失稳破坏规律和掌子面极限支护压力进行了研究，并从掌子面失稳破坏模式出发对考虑渗流的三维楔形体理论计算模型进行了修正，建立了渗流条件下饱水砂性地层隧道掌子面极限支护压力的计算方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 隧道碎屑流灾害研究现状

1．2．2 砂性地层隧道掌子面稳定性研究现状

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 颗粒离散元流固耦合方法及围岩细观参数标定

2．1 问题的提出

2．2 颗粒离散元流固耦合方法

2．2．1 颗粒离散元方法概述

2．2．2 流固耦合方法概述

2．3 围岩细观参数标定

2．3．1 标定模型建立

2．3．2 围岩变形参数

2．3．3 围岩强度参数

2．3．4 围岩标定结果

2．4 本章小结

第3章 隧道碎屑流灾害掌子面灾变失稳行为研究

3．1 问题的提出

3．2 隧道碎屑流灾害计算模型

3．2．1 模型尺寸

3．2．2 围岩参数

3．2．3 流场设置

3．2．4 监测项目

3．3 隧道碎屑流灾害计算工况

3．3．1 自重应力场

3．3．2 渗流场分布

3．4 隧道碎屑流灾害演化过程

3．4．1 演化过程

3．4．2 判识方法

3．5 隧道碎屑流灾害影响因素

3．5．1 岩盘厚度的影响

3．5．2 岩盘性质的影响

3．5．3 水压力的影响

3．6 隧道碎屑流灾害发生机理

3．7 本章小结

第4章 隧道碎屑流灾害掌子面前方岩盘安全厚度研究

4．1 问题的提出

4．2 掌子面前方岩盘安全厚度确定的经验方法

4．3 掌子面前方岩盘安全厚度确定的理论方法

4．3．1 岩盘为坚硬完整岩体

4．3．2 岩盘为软弱破碎岩体

4．4 掌子面前方岩盘安全厚度确定的数值方法

4．4．1 计算方法

4．4．2 安全厚度

4．4．3 突水系数

4．5 本章小结

第5章 饱水砂性地层隧道掌子面稳定性研究

5．1 问题的提出

5．2 数值分析模型

5．3 掌子面失稳破坏规律研究

5．3．1 极限支护压力的确定

5．3．2 支护压力对地层影响

5．3．3 掌子面失稳破坏模式

5．4 掌子面极限支护压力计算方法

5．4．1 基本模型

5．4．2 修正模型

5．4．3 渗流分析

5．4．4 计算方法

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间从事的科研项目