富水地层中的破碎带对隧道围岩稳定性影响数值分析

摘要

隧道工程越来越多地用于穿越山岭，提高道路等级。复杂的地质条件和地下水的不均匀渗流成为隧道工程中常见的问题。隧道开挖后形成新的地下水排泄通道，加剧了地下水对岩体的作用。地下水的存在降低了围岩的强度，增加了施工的难度。因此，研究隧道围岩中流固耦合作用，对围岩的稳定性分析具有重要的意义。
　　 用流固耦合理论研究隧道围岩的稳定性，虽然开展了一些工作，但目前研究程度仍然比较低，地下水渗流对存在破碎带的隧道围岩稳定性影响的研究还鲜有报道，而研究衬砌上外水压力的分布规律是富水地层中隧道设计和施工的重要问题。本文针对富水地层中隧道围岩存在破碎带的实际情况，分析隧道围岩的稳定性，并对作用在衬砌上外水压力的计算方法进行探讨，优化衬砌的排水方案。
　　 通过考虑流固耦合效应，应用有限差分软件FLAC对存在破碎带的饱水隧道围岩进行数值模拟，得到不同破碎带倾角、不同地下水位线高度时，开挖前后围岩的位移场、渗流场、应力场和塑性区分布。结果表明：随着破碎带倾角的增大和地下水位的上升，围岩会加速破坏，塑性区的范围也会逐渐扩展，说明形成不稳定围岩的区域也在扩大。
　　 在流固耦合理论的基础上，分析富水地层中隧道围岩、衬砌背后水荷载的分布规律，高水压力对隧道围岩稳定和结构受力的影响，从而提出排堵相结合的治水方案，通过计算隧道衬砌的外水压力，针对富水地层中存在破碎带的隧道围岩，提出在破碎带处设置排水孔更加有利于衬砌的安全。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 概述

1.2 隧道围岩稳定性的研究方法

1.2.1 理论分析法

1.2.2 数值模拟法

1.2.3 物理模型实验法

1.2.4 现场试验法

1.3 岩体渗流研究现状

1.4 本文的研究内容和方法

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究方法

2 岩体渗流力学与数值分析

2.1 岩体结构

2.2 地下水

2.3 岩体渗流理论

2.3.1 流固耦合计算原理

2.3.2 渗流场对应力场的影响

2.3.3 应力场对渗流场的影响

2.4 FLAC有限差分法软件简介

2.4.1 FLAC的计算原理

2.4.2 FLAC流固耦合的特点

2.4.3 FLAC的应用范围

2.5 材料模型的本构理论

2.5.1 各向同性弹性模型

2.5.2 Mohr-Coulomb弹望性模型

2.6 本章小结

3 具有破碎带隧道围岩的稳定性

3.1 不同倾角的破碎带对隧道围岩稳定性影响

3.1.1 计算模型的建立和计算参数的确定

3.1.2 围岩的稳定性分析

3.2 不同地下水位线高度对隧道围岩变形破坏的影响

3.2.1 洞室四周特征点的竖向位移值分析

3.2.2 破碎带主应力分析

3.2.3 围岩塑性区的特性

3.3 本章小结

4 衬砌外水压力的计算和排水方案的优化

4.1 外水压力的计算方法

4.1.1 折减系数法

4.1.2 解析数值的方法

4.1.3 渗流理论分析方法

4.2 高水头隧道的地下水处理

4.2.1 全封堵法

4.2.2 大堵小排法

4.2.3 隧道的防水和排水设计的思考

4.3 本章小结

5 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献