本文關(guān)鍵詞：流固耦合作用下第三系半成巖地層的隧道穩(wěn)定性分析

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【摘要】：隨著我國地下工程的發(fā)展,越來越多的鐵路隧道在第三系高水壓地層中建造,而第三系地層具有不同于其他巖層的特殊工程性質(zhì),比如地層成巖度比較低,暴露易風(fēng)化,遇水易軟化等,這容易引起隧道施工中的塌方、大變形和突水涌沙現(xiàn)象,并且在運營期間也容易出現(xiàn)翻漿冒泥現(xiàn)象,給施工穩(wěn)定性帶來極大的風(fēng)險。因此對此類地層進(jìn)行工程性質(zhì)的研究,加深對此類地層的認(rèn)識,對實際工程具有十分重要的意義。本文依托蒙華鐵路中條山隧道的勘察設(shè)計,綜合分析地質(zhì)勘察報告和水文地質(zhì)報告以及室內(nèi)巖土實驗的基礎(chǔ)上,結(jié)合地下水滲流理論,通過利用有限差分軟件FLAC3D5.0模擬三臺階七步開挖工況下隧道周邊滲流場、圍巖變形、初支受力和塑性區(qū)變化規(guī)律,得出地下水滲流對隧道開挖穩(wěn)定性的影響,結(jié)論如下：(1)滲流場通過改變巖體結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)、力學(xué)性能,導(dǎo)致應(yīng)力場發(fā)生變化；應(yīng)力場通過改變巖體結(jié)構(gòu)的滲透率、滲透系數(shù)和儲水系數(shù)影響了滲流場。(2)通過對比考慮流固耦合作用和不考慮耦合作用兩種工況,得出：考慮流固耦合作用下,隧道圍巖的位移變化、初支的受力以及塑性區(qū)的變化都要遠(yuǎn)大于不考慮耦合作用,從而在方案設(shè)計中,不可忽視地下水滲流產(chǎn)生的動水壓力,并要特別注意滲流矢量集中部位的防排水工作,如隧道的拱頂、拱肩和仰拱等。(3)通過研究初始水頭高度對隧道圍巖、初支應(yīng)力和位移的影響規(guī)律,得出：隨初始水頭高度的增加,隧道的拱頂沉降、周邊收斂、拱底隆起以及掌子面擠出位移均呈線性增大,塑性區(qū)影響范圍和初支受力也逐漸增大。(4)通過研究圍巖滲透系數(shù)對隧道圍巖和初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移的影響規(guī)律,得出：當(dāng)圍巖滲透系數(shù)大于10-5cm/s時,隧道圍巖、初支的變形和受力的變化很小；當(dāng)圍巖滲透系數(shù)小于10-5cm/s時,隨著滲透系數(shù)的繼續(xù)減小,隧道圍巖的位移變化不大,但初支的最大主應(yīng)力減小,而塑性區(qū)影響范圍增大。(5)通過研究側(cè)壓力系數(shù)對隧道圍巖、初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移的影響規(guī)律,得出：隨著側(cè)壓力系數(shù)的增大,拱頂沉降有所減小,周邊收斂、拱底隆起位移增大,初支最大主應(yīng)力的最大值集中于拱肩、拱腰部位且呈增大趨勢,塑性區(qū)的分布形狀也由蝴蝶狀往環(huán)狀發(fā)展,λ=1.0時,塑性區(qū)體積最小。(6)針對以上中條山隧道的數(shù)值模擬結(jié)果和穿越地層的特殊工程性質(zhì),提出了合適的工程措施如水平旋噴樁預(yù)加固、防水設(shè)計以及“先讓后支“技術(shù)等,從而保證施工的正常進(jìn)行。以上的研究,為實際工程中不同區(qū)域不同控制因素引起的圍巖變形和初支應(yīng)力控制提供理論依據(jù),從而對中條山隧道的順利貫通起到基礎(chǔ)性作用。
【關(guān)鍵詞】：第三系地層 流固耦合 隧道穩(wěn)定性 初始水頭高度 滲透系數(shù) 側(cè)壓力系數(shù) 工程措施
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U451
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 緒論13-25
• 1.1 選題的意義及研究背景13-15
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-21
• 1.2.1 工程施工對地下水環(huán)境影響15-16
• 1.2.2 巖體的流固耦合研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2.3 施工穩(wěn)定性的主要研究方法19-21
• 1.3 研究內(nèi)容、方法及技術(shù)路線21-25
• 1.3.1 研究內(nèi)容21
• 1.3.2 研究方法21-22
• 1.3.3 研究路線22-25
• 2 流固耦合的理論分析25-41
• 2.1 引言25
• 2.2 滲流場對應(yīng)力場的作用25-28
• 2.2.1 地下水對巖土體的物理弱化作用25-26
• 2.2.2 地下水對巖土體的化學(xué)弱化作用26
• 2.2.3 地下水對巖土體的力學(xué)作用26-28
• 2.3 應(yīng)力場對滲流場的作用28-32
• 2.3.1 應(yīng)力場對滲透率和滲透系數(shù)的影響29-31
• 2.3.2 應(yīng)力場對儲水系數(shù)的影響31-32
• 2.4 流固耦合數(shù)學(xué)模型的介紹32-41
• 2.4.1 地下水的滲流模型32-33
• 2.4.2 Biot固結(jié)理論等效連續(xù)介質(zhì)耦合模型33-36
• 2.4.3 孔隙巖體等效連續(xù)介質(zhì)耦合模型36-37
• 2.4.4 裂隙巖體等效連續(xù)介質(zhì)耦合模型37-41
• 3 工程背景及流固耦合數(shù)值計算方法41-53
• 3.1 中條山隧道工程概況41-46
• 3.1.1 氣象特征41-42
• 3.1.2 水文特征42-45
• 3.1.3 地質(zhì)特征45-46
• 3.2 FLAC~(3D)5.0軟件介紹46-52
• 3.2.1 FLAC~(3D)流固耦合的理論概述46
• 3.2.2 FLAC~(3D)流固耦合的計算特點46-47
• 3.2.3 FLAC~(3D)流固耦合的基本方程47-49
• 3.2.4 FLAC~(3D)流固耦合的參數(shù)設(shè)定49-50
• 3.2.5 FLAC~(3D)流固耦合的邊界條件50
• 3.2.6 FLAC~(3D)流固耦合的問題求解50-52
• 3.3 本章小結(jié)52-53
• 4 流固耦合作用下隧道穩(wěn)定性分析53-79
• 4.1 引言53
• 4.2 數(shù)值模型及邊界條件53-55
• 4.3 計算參數(shù)設(shè)置55-56
• 4.4 施工工序56-57
• 4.5 監(jiān)測點布置57-58
• 4.6 數(shù)值模擬結(jié)果分析58-77
• 4.6.1 流固耦合作用下滲流場的分析58-61
• 4.6.2 流固耦合作用下應(yīng)力場的分析61-66
• 4.6.3 流固耦合作用下位移場的分析66-75
• 4.6.4 流固耦合作用下塑性區(qū)的分析75-77
• 4.7 本章小結(jié)77-79
• 5 流固耦合作用下隧道穩(wěn)定性的控制因素分析79-111
• 5.1 引言79
• 5.2 數(shù)值模型及邊界條件79-80
• 5.3 計算參數(shù)設(shè)置80
• 5.4 不同初始水頭高度對隧道穩(wěn)定性的影響80-90
• 5.4.1 不同初始水頭高度下滲流場的變化80-81
• 5.4.2 不同初始水頭高度下位移場的變化81-86
• 5.4.3 不同初始水頭高度下初支受力狀態(tài)的變化86-88
• 5.4.4 不同初始水頭高度下塑性區(qū)的變化88-90
• 5.5 不同滲透系數(shù)對隧道穩(wěn)定性的影響90-97
• 5.5.1 不同滲透系數(shù)下滲流場的變化91-92
• 5.5.2 不同滲透系數(shù)下位移場的變化92-93
• 5.5.3 不同滲透系數(shù)下初支受力狀態(tài)的變化93-95
• 5.5.4 不同滲透系數(shù)下塑性區(qū)的變化95-97
• 5.6 不同側(cè)壓力系數(shù)對隧道穩(wěn)定性的影響97-103
• 5.6.1 不同側(cè)壓力系數(shù)下滲流場的變化98
• 5.6.2 不同側(cè)壓力系數(shù)下位移場的變化98-100
• 5.6.3 不同側(cè)壓力系數(shù)下初支受力狀態(tài)的變化100-102
• 5.6.4 不同側(cè)壓力系數(shù)下塑性區(qū)的變化102-103
• 5.7 工程措施103-109
• 5.7.1 超前預(yù)加固設(shè)計103-106
• 5.7.2 防水設(shè)計106-107
• 5.7.3 “先讓后支”技術(shù)107-108
• 5.7.4 開挖與支護(hù)建議108-109
• 5.7.5 信息化監(jiān)測109
• 5.8 本章小結(jié)109-111
• 6 結(jié)論與展望111-113
• 6.1 主要結(jié)論111-112
• 6.2 展望112-113
• 參考文獻(xiàn)113-117
• 作者簡歷117-121
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集121

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本文編號：1078787