岩石地层水底隧道合理覆盖层厚度研究

摘要

岩石覆盖层厚度是修建水下隧道的关键问题之一，它不仅关系到隧道的施工和运营安全，而且直接影响其修建费用。确定合理的岩石覆盖层厚度是修建水下隧道需要认真研究解决的课题。本文以栋杆嘴长江隧道为研究背景，对此问题进行了初步研究。 ①在广泛收集国内外已建水下隧道资料的基础上，总结了影响水下隧道岩石覆盖层厚度的主要因素及其经验研究方法：挪威海底隧道建设经验方法、日本最小涌水量预测方法和国内顶水采煤经验公式。结合长江隧道江水深度、地形地质条件、施工方法，应用前述三种方法对合理岩石覆盖层厚度进行工程类比分析，并确定其范围为29．5m～38m。 ②运用FLAC3D软件对长江隧道8种岩石覆盖层厚度的工况进行涌水量分析。结果表明：在江水深度不变、不考虑渗透系数沿围岩深度方向变化的状况下，隧道涌水量与覆盖层厚度呈近似抛物线关系，涌水量随覆盖层厚度增大逐渐减小，达到某个最小值后，又逐渐增大，覆盖层厚度为30m时对应的涌水量最小；在江水深度不变的条件下，渗透系数的取值不影响最小涌水量所对应的覆盖层厚度，因此可以将最小涌水量对应的覆盖层厚度作为确定合理覆盖层厚度的依据之一。通过对涌水量的计算，综合工程类比分析的结果，确定了隧道合理覆盖层厚度在30m～38m之间。 ③运用FLAC3D软件对长江隧道8种岩石覆盖层厚度工况进行的围岩变形分析，以应力扰动范围作为隧道稳定评判依据，原拟定的岩石覆盖层厚度均能满足要求。以相邻工况位移收敛作为隧道稳定评判依据，分析得到隧道覆盖层厚度宜为30m，该值亦在工程类比和最小涌水量分析的岩石覆盖层厚度范围之内。 ④在建议覆盖层厚度取30m的情况下，从渗流-应力耦合的角度进一步论证所建议的覆盖层厚度是否合理。模拟分析表明，虽然渗流的发生对围岩位移、应力产生了一定的影响，但总体对隧道稳定性影响不大，隧道岩石覆盖层厚度取30m是安全可行的。 ⑤在渗流-应力耦合分析的过程中，采用降低岩石强度、增大渗透率方式模拟爆破对围岩的影响，并将其与不考虑爆破影响时的渗流-应力耦合结果进行了对比分析。结果表明，爆破使隧道周边围岩应力、位移和流量均有所增加，但增加的幅度均较小，对应力场和渗流场影响不明显。因此，最终确定栋杆嘴长江隧道合理覆盖层厚度为3 m。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1论文选题的背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1越江跨海隧道发展现状

1.2.2合理岩石覆盖层厚度研究现状

1.2.3渗流-应力耦合分析研究现状

1.3本文研究的主要内容

1.3.1研究所依托的工程

1.3.2研究的主要内容

第2章长江隧道合理覆盖层厚度的工程类比分析

2.1概述

2.2挪威建设海底隧道经验方法

2.2.1挪威海底隧道建设和研究现状

2.2.2挪威海底隧道覆盖层厚度选择

2.3日本最小涌水量预测方法

2.4国内顶水采煤经验公式

2.4.1安全防水煤岩柱概念

2.4.2防水煤岩柱留设的总原则

2.4.3安全防水煤岩柱的分析计算方法

2.5基于工程类比方法的合理岩石覆盖层厚度分析

2.6本章小结

第3章长江隧道合理覆盖层厚的最小涌水量分析

3.1栋杆嘴长江隧道概况

3.1.1工程概况

3.1.2设计埋深的初步确定

3.2渗流计算工况与模型

3.2.1计算工况

3.2.2数值计算模型

3.3计算参数

3.4计算结果

3.5渗透系数的不同取值对确定覆盖层厚度的影响

3.5.1计算参数

3.5.2计算结果

3.6本章小结

第4章长江隧道合理覆盖层厚度的围岩变形分析

4.1合理岩石覆盖层厚度确定原则

4.2数值分析模型的建立

4.2.1数值分析断面、岩体及力学参数的选取

4.2.2数值模型的建立

4.3计算结果

4.3.1围岩应力特征

4.3.2塑性区

4.3.3位移结果

4.4本章小结

第5章合理覆盖层厚度下围岩渗流应力耦合分析

5.1分析目的

5.2不考虑爆破影响时的隧道围岩渗流-应力耦合分析

5.2.1计算模型与参数

5.2.2孔隙水压力结果

5.2.3应力结果

5.2.4位移结果

5.3考虑爆破影响时的隧道围岩渗流-应力耦合分析

5.3.1计算参数

5.3.2孔隙水压力结果

5.3.3应力结果

5.3.4位移结果

5.4结果对比

5.5本章小结

结论与建议

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目