浅埋隧道施工影响下含空洞地层失稳破坏模式及演化规律

摘要

地层失稳破坏是城市浅埋隧道施工过程中最常见的灾害之一，而地层空洞是诱发地层失稳破坏的重要因素，为此本文采用数值模拟、室内模型试验及理论分析相结合的研究方法，基于常见城市地区软弱围岩地层，对浅埋隧道施工影响下含空洞地层的失稳破坏模式及演化规律进行研究，主要研究工作和成果如下:
　　(1)针对无空洞地层，基于PFC2D颗粒离散元模拟和模型试验，对不同埋深条件下的城市隧道塌方破坏模式及地层破坏演化规律进行了系统分析，结果表明:城市软弱围岩地层中浅埋隧道施工易发生塌穿型塌方，而深埋隧道施工易发生拱形塌方，在此基础上确定了基于本文研究条件下的隧道深、浅埋分界标准。
　　(2)针对含空洞地层条件下的浅埋隧道工程，首先利用模型试验分析了隧道施工影响下含空洞地层的失稳破化模式及演化规律，进而通过数值模拟对模型试验成果进行对比验证，并在模型试验的基础上进行了研究工况的扩展，重点分析了空洞位置、尺寸及数目变化对地层失稳破坏过程的影响，提出了空洞位置等参数变化时的地层破坏模式图。
　　(3)空洞位于隧道正上方时对地层稳定性的影响最大，且空洞与隧道净距越大，地层失稳破坏直立性越强;空洞位于隧道斜上方45°时对地层稳定性影响程度次之，但隧道受到斜上方的偏压作用;空洞位于隧道侧方时，对地层稳定性影响最小，但隧道亦受到斜上方的偏压作用;空洞大小对地层稳定性有显著影响，空洞直径越大，地层失稳破坏越剧烈，瞬时性越强，空洞直径的影响程度比空洞与隧道净距变化影响程度大;空洞群的存在使地层失稳破坏的速度比单个空洞存在时更快，但空洞自身的破坏形式并没有因为空洞群的存在而产生太大变化，空洞与隧道间贯通破坏比空洞间贯通破坏更易发生。
　　本文研究成果对含空洞地层中浅埋隧道施工的影响分析和评价具有一定的借鉴和参考意义。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

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 隧道塌方破坏模式研究现状

1．2．2 空洞对围岩稳定性影响规律

1．2．3 隧道工程模型试验研究进展

1．2．4 隧道工程数值模拟分析研究进展

1．3 论文研究内容及思路

1．3．1 论文研究内容

1．3．2 论文研究思路

2 不同埋深隧道塌方破坏模式研究

2．1 隧道塌方破坏类型分类

2．2 不同埋深隧道塌方破坏模型试验设计

2．2．1 模型试验相似理论及相似比

2．2．2 模型试验设计

2．3 模型试验结果分析

2．3．1 不同埋深隧道塌方破坏形态对比分析

2．3．2 不同埋深隧道渐进性塌方破坏过程

2．4 不同埋深隧道塌方破坏数值模拟方法及模型建立

2．4．1 数值模拟方法选择

2．4．2 颗粒离散元方法介绍

2．4．3 颗粒流细观参数标定及数值模拟方案

2．5 数值模拟结果分析

2．5．1 不同埋深隧道塌方破坏形态及地表沉降对比分析

2．5．2 不同埋深隧道塌方破坏过程

2．5．3 深、浅埋隧道塌方破坏模式

2．5．4 浅埋隧道塌方破坏过程中围岩应力场变化规律

2．6 本章小结

3 浅埋隧道施工影响下含空洞地层失稳破坏模式及演化规律

3．1 模型试验设计

3．2 模型试验结果分析

3．2．1 空洞与隧道不同相对空间位置时地层失稳破坏过程

3．2．2 空洞与隧道净距变化对地层失稳破坏模式的影响

3．2．3 空洞直径变化对地层失稳破坏模式的影响

3．2．4 空洞组合存在时地层失稳破坏过程

3．3 PFC2D数值模拟模型建立及方案设计

3．4 数值模拟结果分析

3．4．1 空洞与隧道不同相对空间位置时地层失稳破坏过程

3．4．2 空洞与隧道不同相对空间位置时地层应力场变化规律

3．4．3 空洞与隧道不同相对空间位置时地层失稳破坏模式分析

3．4．4 空洞与隧道净距及直径变化对地层失稳破坏模式的影响

3．4．5 空洞组合存在时对地层失稳破坏模式的影响

3．5 本章小结

4 结论与展望

4．1 主要研究结论

4．2 存在问题与展望

参考文献

作者简历

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