巖溶隧道防突厚度及突水機(jī)制研究.pdf

1、隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的快速推進(jìn),西部地區(qū)交通等基礎(chǔ)建設(shè)迅猛發(fā)展,長大巖溶隧道建設(shè)越來越多。巖溶隧道修建過程中,經(jīng)常遇到突水、涌泥等大型地質(zhì)災(zāi)害,輕則沖毀器具,貽誤工期,重則造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。本文以巖溶區(qū)隧道施工中防突層突水災(zāi)變?yōu)檠芯繉ο?通過工程實例調(diào)查、室內(nèi)試驗、理論分析以及數(shù)值模擬等手段,分析山嶺隧道-巖溶系統(tǒng)概化模型及巖溶隧道突水機(jī)理,建立隧道與周邊隱伏溶腔間巖層最小防突厚度及掌子面前方巖墻安全厚度的計算方法,并總結(jié)和

2、概括巖溶隧道突水防治對策,取得了一系列具有重要理論意義和工程應(yīng)用價值的研究成果:
　　 (1)以最具代表性的宜萬線巖溶隧道為例分析了山嶺隧道巖溶發(fā)育特征、分布規(guī)律及形態(tài),闡明了隧址區(qū)的地層巖性、巖層構(gòu)造、地下水滲流途徑等因素是深部大型巖溶形態(tài)及空間分布的主控因素,總結(jié)了不同巖溶形態(tài)的地質(zhì)災(zāi)害及風(fēng)險,并進(jìn)一步分析了其與巖溶隧道的位置關(guān)系。基于此,將隧道-巖溶系統(tǒng)概化為彈性梁板模型、雙孔洞模型、裂隙導(dǎo)通模型等四種力學(xué)模型,為采用定量

3、手段研究巖溶隧道災(zāi)害機(jī)理提供基礎(chǔ)；
　　 (2)通過室內(nèi)單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗以巴西劈裂試驗對巖溶區(qū)灰?guī)r的基本力學(xué)性質(zhì)和強(qiáng)度特征進(jìn)行了深入研究,發(fā)現(xiàn)自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)的巖溶區(qū)灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)差別顯著。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查得出的巖體結(jié)構(gòu)特征和主要結(jié)構(gòu)面的表面狀況,確定了地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI和巖體的霍克-布朗巖體強(qiáng)度參數(shù)及變形模量；
　　 (3)通過實際巖溶隧道突涌水實例的調(diào)查與分析,將巖溶突水劃分為高壓裂隙突水、富水溶腔突水、地下暗

4、河或巖溶管道突水及斷層突水,并從微、宏觀層面分析了巖溶隧道突水機(jī)理,指出圍巖二次應(yīng)力重分布和高水頭巖溶水壓力共同作用下的綜合破壞型突水是巖溶隧道突水的主要類型,并通過離散元數(shù)值模擬對隧道與水壓充填溶腔間防突巖層破壞突水災(zāi)變過程進(jìn)行了驗證；
　　 (4)針對大尺度隱伏溶腔,將防突巖層簡化為兩端固定梁模型,采用彈性理論,基于巖體抗彎、抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則建立巖層最小防突厚度計算方法；針對中小尺度隱伏溶腔,采用Schwarz交替法結(jié)合格里菲斯

5、強(qiáng)度準(zhǔn)則計算巖層最小防突厚度,并編制基于該方法的計算程序,同時討論了埋深、側(cè)壓力系數(shù)、溶腔尺度等因素對防突厚度的影響,特別是巖溶水壓力的影響;針對裂隙導(dǎo)通突水模式,采用最小拉應(yīng)力理論研究了隱伏斷層活化突水方向,根據(jù)裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則建立了該突水模式下的最小防突厚度計算公式；
　　 (5)從斷裂力學(xué)角度分析了高壓巖溶水作用下裂隙的擴(kuò)展機(jī)理,發(fā)現(xiàn)自然營造力作用下的水壓劈裂多屬壓剪破壞模式。運(yùn)用斷裂力學(xué)和水力學(xué)理論分析了隧道掌子面突水的滯后

6、效應(yīng)和擴(kuò)徑效應(yīng),指出裂紋擴(kuò)展的跳躍性在宏觀上表現(xiàn)為隧道掌子面突水的滯后性；掌子面突水通道的最終形成需經(jīng)過多個階段,其最終尺寸受巖溶水壓力、掌子面巖體工程質(zhì)量等因素的控制。在綜合分析基礎(chǔ)上,認(rèn)為隧道掌子面突水是由于開挖擾動降低了水壓劈裂的臨界水壓力導(dǎo)致的,基于此觀點,建立了基于臨界水壓力的掌子面巖墻安全厚度計算公式；
　　 (6)根據(jù)防突厚度及突水機(jī)理的研究成果,結(jié)合巖溶隧道災(zāi)害治理的工程實踐及前人在此方面的研究結(jié)論,總結(jié)、概括了