本文選題：深埋隧道 + 開挖效應　； 參考：《中國礦業(yè)大學》2017年碩士論文

【摘要】：本文旨在研究富水和巖溶區(qū)域隧道開挖過程中圍巖開挖后的力學行為和突水災害發(fā)生的幾率。研究通過理論和數(shù)值分析,采用滲流耦合模型,建立了27個COMSOL數(shù)值計算模型,分析了隧道不同埋深、不同水體位置和壓力、不同圍巖強度下的圍巖穩(wěn)定性和滲流分布規(guī)律,并在對超前預注漿進行模擬的基礎(chǔ)上,提出了在不同工況下規(guī)避的突水風險和控制圍巖穩(wěn)定的措施。本文的主要內(nèi)容和結(jié)果如下:1、基于圍巖破壞準則與滲流方程的分析,闡述了在COMSOL多場模擬軟件中的實現(xiàn)過程與方法。(1)基于彈性多孔介質(zhì)和Biot-Willis模型理論建立了相應的流固耦合模型。(2)建立的數(shù)值模型包括基于工程背景的巖石材料特性和邊界條件設(shè)置,采用了便于收斂計算的四面體網(wǎng)格劃分和基于開挖過程中有突水可能的水文、地質(zhì)工況。(3)在數(shù)值計算模型中,采用的流固耦合模型通過不同開挖距離(開挖步)的改變,將中間迭代過程中應力結(jié)果嵌入到流體模型中孔隙水壓力的行為與影響;同樣地,計算獲得的水壓力也疊加到地應力重分布的計算結(jié)果中,并影響塑性區(qū)和破壞的范圍,實現(xiàn)開挖引起的應力重分布和滲流之間的相互影響和耦合作用,進而獲得更加符合工程實際的計算結(jié)果。2、建立了27個不同工況模型,對不同埋深、不同水體位置和壓力、不同圍巖強度下的圍巖穩(wěn)定性和滲流分布規(guī)律進行了分析。(1)基于不同深度和水頭邊界條件,分析了有水和無水條件下的不同開挖效應,計算結(jié)果表明:a、在開挖條件下,無水和有水不同模型的應力重分布計算結(jié)果與規(guī)律基本相同,從垂直壓力分布規(guī)律看,在開挖到20m時開始有變化,而當開挖到10m時則急劇提升,開挖的影響范圍是20m左右,10m范圍則認為是一個需要采取措施或加固的范圍,只是在軟巖模型中產(chǎn)生了更為顯著的塑性區(qū)和破壞范圍。b、隨著開挖的進行,隧道的埋深和圍巖強度對頂?shù)装宓乃轿灰坪蛢蓭偷拇怪睉Φ挠绊懜鼮槊舾?并處在一個較小的安全范圍之內(nèi)。但圍巖強度較差時(當單軸抗壓強度30MPa UCS或f2時),則需要采取加固措施。c、孔隙水壓力分布與深度基本無關(guān),僅僅和水體的位置和開挖面位置密切相關(guān),達西滲流速度在開挖面位置達到峰值,而開挖之后則逐漸降到一個穩(wěn)定值,數(shù)值約為峰值應力的62.5%。(2)建立了4個模型分析了不同水壓對穩(wěn)定性的影響,并對比分析了軟巖和硬巖條件下的計算結(jié)果。a、在不同初始水壓情況下,垂直和水平應力(地壓分布)的差別都很小,不過開挖改變了應力場的分布,原來水壓大的反而變小了,而原來水壓低的反而變大了。另外,不同位置的應力變化規(guī)律基本一致,但是在軟巖情況下,相比硬巖最大主應力降低了約20%,軟弱圍巖更有利于地應力的均勻重分布。b、不同的水壓對塑性區(qū)幾乎沒有影響。c、開挖前,不同的水壓對圍巖水平和垂直方向的位移都幾乎沒有影響,但在開挖之后,變形將急劇增長。且當水壓在4Mpa時,兩幫的位移量都明顯高于低水壓的情況,相比1Mpa兩幫位移增加了16.67%;相比而言,頂?shù)装宓淖冃瘟縿t受初始水壓的影響稍小,頂板增加了12.86%,而底板則增加了10%。d、初始孔隙壓力在隨著開挖的進行會有一個先升高后降低的過程,且較高水壓條件時(4MPa)明顯高于較低水壓的其它兩種情況。當水體距離開挖面為20m、0m和開挖過后20m時,空隙水壓力分別為1.9MPa、2.1MPa和1.8 MPa,當開挖接近水體時,空隙水壓力大約要升高16.67%。從各個模型計算結(jié)果來看,對于水壓小于4Mpa時,水體的壓力對圍巖的穩(wěn)定性不會產(chǎn)生災難性的影響。(3)建立了3個模型分析了不同開挖規(guī)模對穩(wěn)定性的影響,通過研究開挖半徑分別為3m,4m和5m的不同模型,計算與分析后得到如下規(guī)律:a、隨著開挖斷面的增大,圍巖內(nèi)部的應力峰值呈增大的趨勢,當開挖半徑從3m增大到5m時,最大垂直應力增加了6Mpa,增加22%。在開挖半徑在5m時,開挖以后,圍巖內(nèi)部最大應力較開挖前增長了116%。另外,通過對比無水和有水兩種工況,發(fā)現(xiàn)無水情況下,圍巖內(nèi)部的應力峰值較有水條件有所增加,量約為6.25%。b、隨著開挖半徑的增大,由于開挖引起的塑性區(qū)也明顯增加,當開挖半徑時3m時,塑性區(qū)的范圍約為3m,而開挖半徑達到4m時,影響范圍擴大到了8m,而開挖半徑達到5m時,則塑性區(qū)的范圍達到了15m之多,范圍擴大了將近4倍。擬合結(jié)果表明,塑性區(qū)的增長和開挖半徑的增長呈現(xiàn)非線性關(guān)系,并符合y=x2-2x分布規(guī)律。c、在有水條件下,當開挖半徑從3m增加到5m時,最大垂直位移增加了66.67%,最大水平位移則增加了83.3%。當開挖半徑達到5m時,頂板位移達到75mm,較開挖半徑為3m時提高了約66.67%。d、當開挖半徑為3m和5m時,達西流速分布規(guī)律基本一致,但當開挖半徑是4m時,孔隙水壓力的變化明顯大于半徑是3m和5m的情況,達西流速比3m和5m時增加了將近3倍,結(jié)果表明當開挖半徑在4m左右時,突水的風險要明顯高于3和5m的情況。(4)建立了兩組6個模型分析了不同的水體位置對軟巖和硬巖隧道穩(wěn)定性的影響。a、通過對比水體在開挖正前方、隧道右側(cè)12m和左側(cè)10m三種工況,開挖過后20m水體在隧道右側(cè)12m時對應力分布的影響最大,而繼續(xù)開挖到30m時,則水體在開挖面正前方時(Y=30)對應力分布和變形的影響最大,而繼續(xù)開挖到40m時,最不利的情況又變?yōu)樗w在隧道開挖中心線10m時的工況,但從應力峰值來看,水體在開挖隧道正前方時最為不利。b、在圍巖開挖以后,幫部的水平位移有一個急劇變化的過程,且硬巖和軟巖不同的圍巖條件下表現(xiàn)出截然不同的規(guī)律,當圍巖是軟巖時,在水的影響下出現(xiàn)了拉伸變形;不同的水體位置對頂?shù)装宓奈灰朴绊懖淮?且不管是軟巖和硬巖,頂?shù)装鍎t表現(xiàn)出相似的變形規(guī)律,只是在軟巖條件下,變形量可以達到300mm,并硬巖條件下增加了2.5~3倍,必須采取控制措施才能保持圍巖的穩(wěn)定。c、在隧道開挖過程中,開挖面通過水體位置時,孔隙水壓力都急劇下降,通過不同監(jiān)測斷面的結(jié)果表明,開挖過后,孔隙水壓力還有一個逐步回升和波動的過程,但波動的范圍均在0.3Mpa以內(nèi),表明開挖過后,已開挖隧道內(nèi)再發(fā)生突水的可能性很低。(5)通過4組模型,分析對比了無支護條件下巖體強度變化對穩(wěn)定性的影響。a、軟巖和硬巖中開挖隧道,由于巖體強度的變化和開挖變形的影響,應力重分布結(jié)并不呈現(xiàn)線性的變化規(guī)律,軟巖對于應力重分布更為有利,當E從22Gpa降到10Gpa改變12Gpa時,巖體內(nèi)的最大主應力僅僅只有1.2Mpa的差別,減少了4.6%,而彈模降到單軸抗壓強度30MPa時,巖體內(nèi)的最大主應力也只降低了13.3%,適當?shù)淖冃胃欣谒淼篮蛧鷰r的穩(wěn)定。b、研究結(jié)果表明,內(nèi)摩擦角較彈性模量的變化,對圍巖破壞范圍的影響更為顯著,當巖體內(nèi)摩擦角較小時,會產(chǎn)生較大的塑性區(qū)。尤其是在兩幫中,當圍巖強度降低到一定程度時(單軸抗壓強度30MPa,Φ=27.55?),塑性區(qū)范圍超過5m,且開挖引起的塑性區(qū)和水體本身塑性區(qū)極易貫通,增加了突水的風險。c、通過隧道兩幫的水平位移分析表明,在開挖10m以后水平位移會持續(xù)增加并在開挖40m以后開始減緩并保持恒定。另外,水的存在,反而能夠降低頂?shù)装瀹a(chǎn)生的位移。在軟弱圍巖中,應特別注意在水體前后40m范圍內(nèi)的超前加固,并且?guī)筒啃枰黾訌娭ёo。3、通過各影響因素對圍巖穩(wěn)定性和突水風險的分析,獲得了對水體周邊開挖提前加固的臨界安全距離為30m,提出超前30m進行預加固是有效保護圍巖的穩(wěn)定性和防止突水的重要措施之一。a、開挖前后孔隙水水壓力分布存在較大的差別,孔隙水壓力隨著開挖的進行逐漸降低,且當水體距離開挖隧道右側(cè)12m時,比水體在隧道正前方及右側(cè)10m時的影響更為顯著。b、當水體距離隧道開挖面比較近時,受開挖變形的影響,圍巖內(nèi)部應力和滲流壓力相互變化和影響,特別容易發(fā)生突出危險。研究結(jié)果表明,當水體在隧道右側(cè)12m且距離水體15m或當水體在隧道內(nèi)及右側(cè)并開挖到30m時,應力都開始急劇增加。因此,不管是硬巖還是軟巖,都應該在水體前后的30 m內(nèi)進行加固和其它降水措施。c、在注漿條件下,孔隙水壓力下降明顯,當提前30m進行預注漿時,開挖區(qū)周圍的孔隙水壓力可從2.8Mpa降低1.2Mpa,且達西速度降低到接近于0,通過注漿方法,可以控制孔隙壓力,防止可能的水涌危害。d、超前注漿后,頂?shù)装逦灰凭玫搅擞行Э刂?其中水平位移能夠減少23%,頂板和底板能夠降低50%,并總能控制在圍巖穩(wěn)定范圍之內(nèi),超前加固能夠有效保護圍巖的穩(wěn)定性。4、通過上述研究和分析,獲得如下主要結(jié)論:(1)在數(shù)值計算模型中,采用基于彈性多孔介質(zhì)和Biot-Willis模型理論建立的流固耦合模型。流固耦合模型通過不同開挖距離(開挖步)的改變,將中間迭代過程中應力結(jié)果嵌入到流體模型中孔隙水壓力的行為與影響;計算獲得的水壓力也疊加到地應力重分布的計算結(jié)果中,并影響塑性區(qū)和破壞的范圍,實現(xiàn)開挖引起的應力重分布和滲流之間的相互影響和耦合作用。(2)在隧道開挖過程中,開挖影響的主要范圍是開挖前的20m和開挖后的40m,應力和變形將在開挖到距離水體10m時急劇增加。在軟弱圍巖中,應特別注意在水體前后40m范圍內(nèi)的超前加固,并且?guī)筒啃枰黾訌娭ёo。(3)根據(jù)不同開挖直徑的對比分析,建立了塑性區(qū)大小和開挖半徑之間的一個非線性關(guān)系,擬合結(jié)果顯示符合y=x2-2x分布規(guī)律(x為開挖半徑,y為塑性區(qū)大小,單位為m)。根據(jù)圍巖穩(wěn)定性和滲流規(guī)律分析,當開挖半徑在4m左右時,突水的風險要明顯高于3和5m的情況,開挖半徑過大和較小,都有可能增加突水的風險。(4)內(nèi)摩擦角較彈性模量的變化,對圍巖破壞范圍的影響更為顯著,當巖體內(nèi)摩擦角較小時,會產(chǎn)生較大的塑性區(qū)。尤其是在兩幫中,當圍巖強度降低到一定程度時,開挖引起的塑性區(qū)和水體本身塑性區(qū)極易貫通,增加了突水的風險,通過注漿改變圍巖的內(nèi)摩擦角等是較為有效的控制措施。(5)通過各種模型計算結(jié)果的分析,獲得了對水體周邊開挖提前加固的臨界安全距離為30m。并通過圍巖注漿的計算模型,從孔隙壓力分布、塑性區(qū)屈服應力和位移等方面的分析,結(jié)果表明,超前注漿后,頂?shù)装逦灰凭玫搅擞行Э刂?其中水平位移能夠減少23%,頂板和底板能夠降低50%以上,并總變形量能控制在圍巖穩(wěn)定范圍之內(nèi),超前30m進行預加固是有效保護圍巖的穩(wěn)定性和防止突水的重要措施之一。
[Abstract]:Based on the theory and numerical analysis , the authors have established 27 COMSOL numerical models to analyze the stability and distribution of surrounding rock under different working conditions . ( 1 ) Based on different depth and head boundary conditions , the different excavation effects under the condition of water and water are analyzed . The results show that , under the condition of excavation , the calculation results of stress redistribution of different models of water and water are basically the same , and the influence range of excavation is about 20m . However , when the strength of the surrounding rock is less than 20m ( when the uniaxial compressive strength is 30MPa UCS or f2 ) , it is necessary to adopt the reinforcement measures . However , when the strength of the surrounding rock is poor ( when the uniaxial compressive strength is 30MPa UCS or f2 ) , the seepage velocity of the tunnel reaches the peak value at the excavation face position , and the value is approximately 62.5 % of the peak stress . ( 2 ) The influence of different water pressures on stability is analyzed by establishing four models , and the results of soft rock and hard rock are analyzed . ( 3 ) Three models are established to analyze the influence of different excavation scale on the stability . By studying the different models of the excavation radius of 3m , 4m and 5m , the maximum vertical stress is increased by 66 . 67 % . When the excavation radius is 3 m , the maximum vertical displacement is increased by 66 . 67 % . When the excavation radius is 3 m , the maximum vertical displacement increases by about 3 times . ( 4 ) The influence of different water body positions on the stability of soft rock and hard rock tunnel is analyzed by establishing two groups of six models . ( 5 ) By means of 4 sets of models , the influence of the change of rock strength on the stability of the rock mass under the condition of no support is analyzed . The results show that when the water body is at the right 12m of the tunnel and the water body is excavated to 30m , the pore water pressure can be reduced by 1.2 Mpa . ( 2 ) In the course of tunnel excavation , the main scope of excavation influence is 20m before excavation and 40m after excavation . According to the analysis of rock stability and seepage law , when the excavation radius is about 4 m , the risk of water inrush is obviously higher than 3 and 5 m .
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：U451.2

【參考文獻】

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1 王冬平;;采動誘發(fā)隱伏陷落柱突水機制與滲流耦合模型研究[J];煤炭工程;2016年07期

2 DUAN QingBao;YANG XiaoSong;;Experimental studies on gas and water permeability of fault rocks from the rupture of the 2008 Wenchuan earthquake, China[J];Science China(Earth Sciences);2014年11期

3 Yong Zhao;Pengfei Li;Siming Tian;;Prevention and treatment technologies of railway tunnel water inrush and mud gushing in China[J];Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering;2013年06期

4 郭保華;蘇承東;;多級加載下巖石裂隙滲流分段特性試驗研究[J];巖石力學與工程學報;2012年S2期

5 劉會波;肖明;劉巍;;巖溶區(qū)地下廠房洞室群圍巖滲流效應分析[J];四川大學學報(工程科學版);2012年S1期

6 ;Stress and deformation analysis on deep surrounding rock at different time stages and its application[J];International Journal of Mining Science and Technology;2012年03期

7 李利平;李術(shù)才;石少帥;許振浩;;基于應力-滲流-損傷耦合效應的斷層活化突水機制研究[J];巖石力學與工程學報;2011年S1期

8 陳紅江;李夕兵;劉愛華;彭述權(quán);賀顯群;;水下開采頂板突水相似物理模型試驗研究[J];中國礦業(yè)大學學報;2010年06期

9 李利平;李術(shù)才;張慶松;;巖溶地區(qū)隧道裂隙水突出力學機制研究[J];巖土力學;2010年02期

10 董志高;胡嫣然;楊輝;許波;;ANSYS基于Biot固結(jié)理論流固耦合模型及應用[J];工程地質(zhì)計算機應用;2009年03期

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本文編號：2062643