海底隧道涌水量预测方法研究及其爆破振动影响分析

摘要

随着国家经济技术的发展和国家战略以及城市发展的需求，海底隧道建设正如火如茶的展开，其不仅有效缩短了行程而且极大的缓解了交通压力，意义不言而喻。海底隧道多采用钻爆法开挖，其爆破振动影响不可避免，然而目前爆破损伤的影响规律及增渗机制尚不清晰，这对准确预测海底隧道涌水量极为不利，从而容易导致预防措施不到位、治理措施不合理。本文主要依托在建的青岛地铁1号线海底隧道，综合运用室内试验、理论分析、现场监测以及数值模拟等研究手段对爆破振动影响下的海底隧道涌水量进行预测、分析，建立考虑爆破振动影响下的海底隧道涌水量的综合判识及预测体系，从而为海底隧道建设中的涌水问题提供理论依据及技术支持。
　　(1)分析海底隧道实际边界条件，总结现有研究不足，提出了基于叠加原理的海底隧道渗流场与涌水量分析方法，包括双涌水点计算模型与单涌水点简化计算模型，并给出了多水平地层情况下的等效计算公式;结合工程实际情况对本文研究方法进行了分析验证，给出了本研究区段海底隧道最优覆岩厚度，并分析了隧道埋深、隧道半径、海水深度等因素对海底隧道涌水量的影响;与工程中常用的马卡斯特公式、小林芳正公式、皇甫明公式、大岛洋志公式等经验解析公式的预测结果进行了对比分析。
　　(2)海底隧道开挖之前通过采集现场围岩进行室内单轴压缩试验、抗拉强度试验、三轴试验等对岩体的力学与变形特性进行了分析并建立了围岩本构模型，基于理论分析建立了围岩损伤破坏过程中渗透特性的演化模型并分析了其渗透特性演化规律，采用FLAC3D软件模拟岩石三轴试验过程并将渗透特性演化模型嵌入软件内部进行试件渗透性能演化分析，验证了研究的合理性及准确性，并为后文研究奠定了基础。
　　(3)提出了一种海底隧道超前探孔渗流场与涌水量的理论计算方法，并在此基础上依据海底隧道超前探孔设计方案进行了各超前探孔涌水量与隧道围岩渗透性能的关系曲线分析，根据现场测试数据拟合确定围岩初始渗透系数，通过数值模拟验证了理论研究的准确性与合理性，初始渗透系数即为爆破振动影响前的渗透系数初始值。
　　(4)基于围岩本构模型、渗透特性演化模型、初始渗透系数，采用FLAC3D数值软件模拟海底隧道真实爆破过程，确定爆破振动影响下的围岩渗透性能分布，从而获得考虑爆破振动影响下的海底隧道涌水量，通过将其与勘察渗透系数、初始渗透系数确定的海底隧道涌水量以及现场实测涌水量进行对比，表明考虑爆破振动影响下的海底隧道涌水量更接近实际，更为合理，并进一步分析了不同炮孔间距、不同爆破脉冲峰值对海底隧道围岩的增渗作用以及涌水量的影响，研究结果对实际工程具有极大的指导意义。

目录

声明

摘要

第一张绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 海底隧道涌水量预测方法研究现状

1．2．2 岩石力学特性及本构模型研究现状

1．2．3 荷载作用下岩体渗透特性演化规律研究现状

1．3 研究内容

1．4 技术路线

1．5 主要创新点

2．1 引言

2．2 青岛地铁1号线海底隧道工程概况

2．2．1 工程概况

2．2．2 工程地质与水文地质条件

2．3 常用经验解析法

2．4 基于叠加原理的海底隧道渗流场与涌水量理论研究

2．4．1 理论基础

2．4．2 双涌水点计算模型

2．4．3 单涌水点简化计算模型

2．4．4 参数影响分析

2．5 涌水量预测结果对比分析

2．6 本章小结

3．1 引言

3．2 单轴压缩及抗拉强度试验研究

3．2．1 单轴压缩试验

3．2．2 抗拉强度试验

3．3 三轴压缩试验研究

3．3．1 试验方案

3．3．2 结果处理与分析

3．4 安山岩本构模型研究

3．4．1 本构模型建立的基础

3．4．2 强度参数演化规律分析

3．4．3 剪胀角演化规律分析

3．5 岩石渗透特性演化模型及数值验证

3．5．1 岩石渗透特性演化模型与演化规律分析

3．5．2 三轴试验模拟与验证

3．6 本章小结

第四章 基于超前探孔的海底隧道围岩初始渗透性能理论预测

4．1 引言

4．2 超前探孔涌水量现场测试

4．2．1 超前探孔设计

4．2．2 超前探孔涌水量测试

4．3 围岩初始渗透性能理论预测

4．3．1 超前探孔涌水量与渗流场理论研究

4．3．2 围岩初始渗透性能反演分析

4．4 围岩初始渗透性能数值方法对比验证

4．4．1 FLAC3D渗流计算原理

4．4．2 围岩初始渗透性能数值验证

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 海底隧道爆破方案与模拟计算设计

5．2．1 海底隧道爆破方案设计

5．2．2 参数选取与模型建立

5．3 爆破振动影响下的海底隧道涌水量预测

5．3．1 爆破动力荷载计算

5．3．2 爆破振动影响下的海底隧道围岩增渗机制分析

5．3．3 爆破振动影响下的海底隧道涌水量预测与对比分析

5．4 海底隧道围岩渗透性能与涌水量的爆破因素影响规律研究

5．4．1 炮孔间距影响分析

5．4．2 爆破脉冲峰值影响分析

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参与的科研项目及发表的学术论文