高水壓充填型巖溶隧道穩(wěn)定性研究.pdf

1、巖溶地區(qū)因受其特殊的地質(zhì)構(gòu)造影響，往往具有高水壓、富水、溶洞及斷層的特征，因而，在巖溶地區(qū)修建隧道及地下工程，施工中極易誘導(dǎo)突發(fā)大規(guī)模的涌水、涌泥、涌砂等災(zāi)害。同時，隧道內(nèi)大量的涌水、涌砂和涌泥，會使地層內(nèi)有效應(yīng)力改變，以及地下水滲流場和補(bǔ)排關(guān)系發(fā)生變化，繼而造成地下水資源的減少和枯竭，引起巖溶地區(qū)地表產(chǎn)生塌陷和沉降，導(dǎo)致地下水質(zhì)的污染和破壞。因此，對巖溶隧道突水突泥機(jī)理及其防治技術(shù)的研究具有工程實際意義。
　　 本文總結(jié)了巖溶

2、隧道施工過程中發(fā)生突水突泥的基本規(guī)律；利用突變理論和巖體斷裂力學(xué)分析了隧道突水突泥的機(jī)理；對隧道掌子面附近區(qū)域存在高壓水的狀況下的掌子面圍巖穩(wěn)定性以及水壓對襯砌內(nèi)力的影響進(jìn)行了相似模型試驗研究；對隧道掌子面前部及拱頂部存在高壓充水溶洞巖溶隧道施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值分析；根據(jù)對巖溶隧道突水、突水機(jī)理的分析結(jié)果，提出了巖溶隧道突水突泥的防治原則。本文主要研究內(nèi)容包括：
　　 (1)介紹了我國4個典型巖溶隧道(洞)在現(xiàn)場施工中發(fā)生的突

3、水突泥情況，總結(jié)出隧道巖溶突水突泥的基本規(guī)律。
　　 (2)隧道圍巖突水失穩(wěn)是一個典型的突變失穩(wěn)過程，將突變理論首次應(yīng)用于隧道突水的研究之中。假定隧道底部有高壓充水溶洞，根據(jù)充水溶洞的大小關(guān)系，將溶洞頂板簡化為四周固支的大變形橢圓形板、矩形板和固支梁3種模型。通過研究隧道底板系統(tǒng)能量的失穩(wěn)，建立了預(yù)測隧道底板突水的尖點突變模型，導(dǎo)出了系統(tǒng)失穩(wěn)時受力的臨界值及失穩(wěn)時底板變形和能量釋放的表達(dá)式，為巖溶隧道突水預(yù)報提供了新的理論方法。

4、
　　 (3)從兩個方面探討了隧道圍巖突水失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)理。首先，根據(jù)裂隙巖體裂紋面的應(yīng)力狀態(tài)，從斷裂力學(xué)角度將高壓水頭作用下巖體的裂紋擴(kuò)展分為拉剪復(fù)合擴(kuò)展和壓剪復(fù)合擴(kuò)展，應(yīng)用工程近似裂紋復(fù)合失穩(wěn)準(zhǔn)則，分別推導(dǎo)出兩種破壞模式的臨界水壓計算公式；基于最大周向正應(yīng)力理論，研究并給出了復(fù)合型裂紋在不同應(yīng)力狀態(tài)及化學(xué)損傷作用下擴(kuò)展的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子和擴(kuò)展方向角。其次，隧道開挖使高壓充水溶洞與隧道掌子面間的距離減小，由于掌子面安全巖盤厚度不

5、夠引起圍巖突水失穩(wěn)。
　　 (4)以幾何相似比CL=30和容重相似比Cr=1為基礎(chǔ)相似比，實現(xiàn)在彈性范圍內(nèi)各控制性物理力學(xué)參數(shù)的全相似性，對圍巖特征、物性、原始地應(yīng)力場、支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和支護(hù)時機(jī)、開挖步驟進(jìn)行了相似模擬。模型試驗獲得了隧道掌子面附近區(qū)域存在高壓充水溶洞的狀況下的掌子面圍巖軸向位移的變化規(guī)律以及隧道周圍有高壓充水溶洞時的水壓、間距和圍巖級別變化對襯砌內(nèi)力的影響。
　　 (5)以隧道掌子面前部和拱頂部存在高壓充