【摘要】：武漢地區(qū)總體地貌形態(tài)由剝蝕堆積壟崗區(qū)過渡為沖洪積區(qū),城區(qū)內(nèi)自北向南分布有多條可溶巖條帶,特殊的地質(zhì)條件導(dǎo)致區(qū)內(nèi)溶隙、溶洞發(fā)育。近年來,由于城市建設(shè)尤其是軌道交通建設(shè)規(guī)模的不斷加大,因施工造成的巖溶地表塌陷災(zāi)害,以其突發(fā)性、群發(fā)性以及強(qiáng)破壞性等顯著特征,給工程建設(shè)及當(dāng)?shù)鼐用駧砹藵撛谕{,巖溶地表塌陷問題已經(jīng)是武漢城市建設(shè)中亟需解決的問題。鑒于此,本文以武漢軌道交通隧道穿越區(qū)巖溶為研究對象,通過查閱區(qū)域地質(zhì)文獻(xiàn),結(jié)合地質(zhì)勘探資料,對場地地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖溶及地下水進(jìn)行詳細(xì)分析;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合巖體力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、工程力學(xué)及工程數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉理論,采用室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合、數(shù)值分析與理論分析相結(jié)合等等綜合性研究方法,對復(fù)雜地質(zhì)條件下的巖溶地面塌陷過程、隧道穿越區(qū)巖溶對隧道影響特征以及巖溶處治技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,主要內(nèi)容與成果如下:(1)系統(tǒng)闡述了武漢地區(qū)區(qū)域地形和區(qū)域地貌分區(qū),按成因主導(dǎo)因素和形態(tài)對地貌進(jìn)行了分類,從含水地層的巖性、賦存條件及水力性質(zhì)等角度研究了區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)特征;詳述了武漢地區(qū)可溶巖分布及發(fā)育特征、巖溶垂直分帶特征,總結(jié)了區(qū)域內(nèi)巖溶覆蓋層的典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)。(2)以武漢地鐵穿越區(qū)巖溶為研究對象,基于“地貌單元、地層組合和地層時代”三因素為主體的武漢地區(qū)巖溶塌陷工程地質(zhì)宏觀控制論,詳細(xì)研究了覆蓋層特征、巖性和斷裂以及水文地質(zhì)等巖溶發(fā)育的控制性因素;通過鉆孔電視電磁波CT、鉆孔彩色電視錄像等多種地質(zhì)勘探手段,分析了地鐵隧道穿越區(qū)巖溶的空間分布特征以及與地鐵工程的空間關(guān)系,研究了溶洞填充物的物理力學(xué)特征。(3)以武漢市巖溶上部覆蓋層典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)依據(jù),設(shè)計了室內(nèi)巖溶塌陷試驗裝置,進(jìn)行了純砂土和上部粘土-下部砂土兩類地質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理模型試驗,研究了在不同水動力條件下的巖溶塌陷特征以及塌陷過程中的土壓力和孔隙水壓力變化規(guī)律,分析了在無水和飽和兩種狀態(tài)下的地層休止角變化規(guī)律以及巖溶地面塌陷的影響范圍;得到結(jié)論如下:1)孔隙水壓力和土壓力與水位的變化趨勢一致,水位變化越快,孔隙水壓力變幅越大。2)對于上覆蓋為粘土下部為砂的地質(zhì)結(jié)構(gòu),塌陷的過程為下層砂土被潛蝕破壞迅速流失→破壞擴(kuò)展到粘土層的底面→形成土洞→地面塌陷。3)水下休止角試驗表明無水狀態(tài)下的休止角明顯大于水下狀態(tài),內(nèi)摩察角與休止角之間的擬合關(guān)系明顯好于顆粒粒徑與休止角之間的擬合關(guān)系。(4)基于離散元的顆粒流理論(PFC),建立了四種典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)下的巖溶塌陷顆粒流模型,研究了不同巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)下的地表塌陷特征,分析了塌陷過程的時空效應(yīng)以及土體顆粒間接觸力變化規(guī)律,研究了典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)下的巖溶地表塌陷范圍;建立了動荷載對巖溶塌陷影響的PFC-CFD耦合計算模型,分析了在不同動荷載作用下的土體內(nèi)部孔隙水壓力和孔隙率的變化規(guī)律,得出結(jié)論如下:1)地層中的孔隙水壓力圍繞塌陷坑呈等值線分布,溶洞正上方的地表土層孔隙率呈現(xiàn)變大的趨勢,距離地表三分之一深度的土體孔隙率變小。2)無論是加大振幅還是加大頻率,都能加快地層中水的流失,進(jìn)而造成因水位快速下降發(fā)生巖溶通道形成并引發(fā)地表塌陷。3)振動的能量越大,對于土體結(jié)構(gòu)的破壞能力越強(qiáng);孔隙率數(shù)值大小的變化與振動強(qiáng)度存在緊密聯(lián)系,孔隙率明顯服從一定的類似振動波的曲線變化。4)塌陷過程中,可以近似認(rèn)為顆粒間應(yīng)力變化過程為:應(yīng)力平衡→土顆粒間應(yīng)力成拱→應(yīng)力拱破壞→應(yīng)力再次平衡。5)全砂層、上砂層下粘土、上粘土下砂層及全粘土層等四類覆蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)下的塌陷角呈現(xiàn)遞增的趨勢,塌陷特征差異顯著;(5)基于滲流理論、連續(xù)性方程和固結(jié)理論,以MIDAS有限元為分析平臺,建立了溶洞與地鐵穿越區(qū)隧道的數(shù)值分析模型,進(jìn)行了不同施工工況下的高水頭巖溶發(fā)育區(qū)地鐵隧道滲流應(yīng)力耦合特征分析;研究了不同水頭高度下的隧道結(jié)構(gòu)受力、變形變化規(guī)律,總結(jié)了各工況下的初襯和二襯的受力、變形變化規(guī)律,得出結(jié)論如下:1)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:襯砌拱頂位移和收斂值隨著時間的推移,數(shù)值呈現(xiàn)增加的趨勢,三個月左右后數(shù)據(jù)呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢,拱頂位移數(shù)值大小約為8mm-10mm,收斂最大值接近10mm。2)巖溶滲流耦合作用下,隧道開挖引起的孔隙水壓力影響范圍約為4倍隧洞跨度(洞徑),隧道襯砌結(jié)構(gòu)外表面的滲流速度變化和孔隙水壓力變化在數(shù)值上呈反比關(guān)系。3)地下水位高度對隧道與地層耦合作用影響顯著,隨著水位的升高,拱頂豎向位移呈現(xiàn)增加的趨勢,二襯的拱頂位移明顯小于初襯的拱頂位移;初襯的滲流速度明顯大于二襯的流速,60m水頭下二者的差值接近200mm/day;水頭越高,滲流速度越大。4)隧道上部結(jié)構(gòu)變形最大,隧道下部結(jié)構(gòu)變形次之,拱腰處的變形最小;襯砌之間接縫處的變形和剪應(yīng)力最大。5)考慮滲流作用和不考慮滲流作用時襯砌變形規(guī)律一致,存在滲流作用時的結(jié)構(gòu)變形和錨桿受力總體上大于無滲流作用時的數(shù)據(jù)。(6)基于有限元和正交理論,建立了隱伏溶洞位于隧道上方、下方以及側(cè)方等三類計算模型,分析了礦山法隧道周邊隱伏溶洞對隧道的影響因素,確定了礦山法隧道周邊隱伏溶洞安全厚度。研究表明:溶洞位于隧道不同方位時,圍巖水平A、側(cè)壓力系數(shù)λ、溶腔跨度D、溶腔高跨比R、滲透系數(shù)k等五類因素對安全厚度影響差異顯著;當(dāng)隱伏溶洞位于隧道下方時,安全厚度為7.7m,當(dāng)隱伏溶洞位于隧道側(cè)方時,安全厚度為8.2m,當(dāng)隱伏溶洞位于隧道上方時,安全厚度為3.5m。(7)基于離散元的顆粒流理論(PFC),分別以不同溶腔空間、隧道距離溶洞的不同水平距離和縱向距離為變化因素,建立了顆粒流巖溶-隧道耦合計算模型以及隔離樁加固計算模型,揭示了巖溶地面塌陷過程中管片受力和位移變化規(guī)律,評價了武漢地鐵穿越區(qū)巖溶地面塌陷條件下盾構(gòu)隧道的安全性,提出了巖溶地面塌陷治理具體措施,得到結(jié)論如下:1)在覆蓋層塌陷的過程中,原本受力均勻的管片在不對稱覆蓋層荷載的作用下,管片拱頂與拱底均出現(xiàn)向內(nèi)側(cè)收斂的趨勢,兩側(cè)拱腰呈現(xiàn)向外側(cè)變形的趨勢,進(jìn)而導(dǎo)致實際中由螺栓連接的管片接頭的位置出現(xiàn)張拉破壞;隨著塌陷的發(fā)生,管片法向受力整體呈下降的趨勢,塌陷程度越低,隧道受力變化越不明顯。2)隨著塌陷的發(fā)生,管片的行跡表現(xiàn)為順時針轉(zhuǎn)動的趨勢,管片的受力方向受土顆粒的運(yùn)動方向影響;管片最大位移和最小位移位置與塌陷程度無關(guān);同一隧道埋深下,水平距離越遠(yuǎn)離塌陷范圍,管片受到的影響越小,地鐵隧道越安全;埋深越深的隧道,管片位移變化速度越快,其受巖溶地面塌陷影響越大。3)在塌陷的過程中,隔離樁的受力一直處于增加的狀態(tài),且法向受力的變化幅度要大于切向力;隔離樁可以改變隧道的受力特征,有效避免隧道整體過大的位移,但不能改善位移的方向,由于位移方向的快速變化,易造成管片扭矩過大而產(chǎn)生破壞。4)隔離樁的加固深度越深、強(qiáng)度越高,對隧道影響越小;對于接近模型的實際案例中,在采取隔離樁加固治理巖溶塌陷時,隔離樁的頂端水平位置應(yīng)接近隧道2/3高度的位置。5)根據(jù)場地地質(zhì)結(jié)構(gòu)、砂層休止角、地鐵隧道或車站空間分布及地面塌陷破壞模式綜合分析,得出了對地鐵工程產(chǎn)生直接破壞的巖溶塌陷范圍,得到了巖溶塌陷不產(chǎn)生隧道偏壓的水平安全距離公式,提出了巖溶塌陷治理具體措施。
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【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：U231.1;U452.11
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本文編號：2362265