水压充填型岩溶隧道突水机理及衬砌结构力学特性研究

摘要

我国是世界上岩溶地区分布最广的国家，随着国家经济的快速发展，越来越多的地下工程兴建在岩溶地区，岩溶隧道稳定性问题已成为工程建设中的突出问题，要顺利地进行工程建设，就必须解决岩溶对工程的影响及工程诱发的地质灾害问题。针对现状，本论文通过总结国内外现有成果、数值模拟计算以及模型试验分析，对岩溶区隧道问题做了较深入的研究。 首先，总结了岩溶隧道突水机理及其主要影响因素。常见的岩溶涌水突泥情况，分为止水岩柱受拉破坏、裂隙面受剪破坏、裂隙的水力扩张、关键岩块的失稳4种情况。影响突水的主要原因有地质条件、气象原因以及隧道施工的扰动等。 其次，运用有限元进行数值模拟计算，研究了填充型隐伏溶洞对隧道围岩位移和衬砌内力的影响规律。模拟计算以Ⅳ级围岩为基础，按溶洞位于隧道的侧部、顶部和底部三种状况。对每种状况，分析溶洞大小、位置及溶洞内水压变化时对隧道结构的不同影响，对比隧道周围无隐伏溶洞时的状况，总结出了一些有用的规律，为同类隧道的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。 最后，通过模型试验，研究了填充型溶洞位于隧道侧部、顶部和底部三种状态时，溶洞内水压变化对隧道衬砌内力影响规律，并与数值计算结果进行比较，两种研究方法所得的结果基本反映了相同的规律。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究的意义和目的

1.1.1研究的意义

1.1.2研究内容及目的

1.2围岩稳定分析研究现状

1.2.1地下工程围岩压力理论

1.2.2岩溶隧道稳定性主要研究方法及国内外发展现状

1.2.3地下工程围岩稳定性分级方法

第2章岩溶涌突水机理及其主要影响因素

2.1岩溶突水机理

2.2岩溶突水主要影响因素

2.2.1地质原因

2.2.2气象条件

2.2.3隧道施工

第3章溶洞对隧道结构影响的有限元数值分析

3.1 ANSYS有限元模型建立

3.1.1计算范围选定

3.1.2数值模拟的基本假定

3.1.3计算单元的选取

3.1.4边界条件

3.1.5计算参数选取

3.2模拟计算方案

3.3有限元计算的模型

3.4无溶洞时的计算结果

第4章不同形态岩溶对隧道结构影响分析

4.1侧部隐伏溶洞对隧道结构影响数值分析

4.1.1溶洞与隧道间距离L变化对隧道结构的影响分析

4.1.2溶洞直径D变化对隧道结构的影响分析

4.1.3侧部隐伏溶洞水压变化对隧道结构影响

4.1.4侧部隐伏溶洞对隧道影响小结

4.2项部隐伏溶洞对隧道结构影响数值分析

4.2.1溶洞与隧道间距离变化对隧道结构的影响分析

4.2.2溶洞直径D变化对隧道结构的影响分析

4.2.3顶部隐伏溶洞水压变化对隧道结构影响

4.2.4顶部隐伏溶洞对隧道影响小结

4.3底部隐伏溶洞对隧道结构影响数值分析

4.3.1溶洞与隧道间距离变化对隧道结构的影响分析

4.3.2溶洞直径D变化对结构的影响分析

4.3.3底部伏溶洞水压变化对隧道结构影响

4.3.4底部隐伏溶洞对隧道影响小结

4.4隧道衬砌结构安全系数

4.5本章小结

第5章岩溶隧道突水失稳相似模型试验研究

5.1相似模型试验概况

5.1.1本次模型试验的总体意图

5.1.2模型试验隧道支护系统原型

5.1.3模型试验的相似关系

5.1.4模型试验的相似材料

5.1.5试验装置的制备及加载约束系统

5.1.6模型试验量测系统

5.1.7模型试验内容

5.1.8模型试验步骤

5.2模型试验结果及分析

5.2.1侧部溶洞水压变化对隧道衬砌内力影响

5.2.2顶部溶洞水压变化对隧道衬砌内力影响

5.2.3底部溶洞水压变化对隧道衬砌内力影响

5.2.4误差分析

5.3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