【摘要】：當隧道穿越巖溶地區(qū)時,受復雜地質條件等因素影響,往往會遭遇突水涌泥等大型地質災害。隧道突水以其高發(fā)率、突發(fā)性、危害大等特點,嚴重制約著巖溶區(qū)地下工程建設的發(fā)展:突水災害常伴隨著不可估量的損失,坑道被淹、機制設備損毀、施工被迫中斷,或引起水土流失、水資源平衡破壞等不可逆后果,甚至危及生命安全。我國巖溶區(qū)遼闊,地下空間資源發(fā)展前景更是廣闊,作為巖溶區(qū)典型地質災害的隧道突水問題,儼然已成為亟待深入研究的具有重大意義的前沿熱點。本文以國內典型巖溶鐵路隧道為研究對象,通過工程實例調查、數(shù)值計算、理論分析、數(shù)值模型試驗等手段,從詳細調研國內多起代表性突水事件入手,全面分析了巖溶隧道的突水模式及災變機理,基于不同理論或施工力學響應,對比研究了防突層安全厚度的預測方法,取得了具有一定理論意義及工程應用價值的研究成果:(1)基于大量巖溶隧道突水資料的統(tǒng)計分析,從巖溶發(fā)育的必要條件角度分析了巖溶發(fā)育特征,得到了不同構造區(qū)及巖溶發(fā)育帶的含水構造類型;提出突水能量貯存、能量釋放條件、能量爆發(fā)催化是突水災害的形成主線,并分步研究了突水的災變特征,基于此主線,闡明了突水發(fā)生條件的影響因素,構成了突水災害發(fā)生的控制因素集;(2)選取多起具代表性的巖溶隧道重大突水事件,詳細調研其致災過程、致災機理,在此基礎上概化出各事件的突水模型;對比分析各突水模型,基于致災關鍵體的不同,將巖溶隧道突水模式劃分為隔水巖盤破壞模式及填充介質失穩(wěn)模式兩大類,提出前、后者的致災關鍵體分別為隔水巖盤及含水構造內填充介質;根據(jù)含水構造與隧道空間位置關系,又將隔水巖盤破壞模式細分為相交式、分離式,將填充介質失穩(wěn)模式細分為頂伏式、側伏式、底伏式、貫通式;突水模式的劃分為突水機理及防突層厚度的分類研究提供基礎;(3)隔水巖盤破壞模式突水的災變機理為防突巖盤的失穩(wěn)破壞。首先分別從物理、力學角度分析了巖溶水對隔水巖盤的弱化作用;其次根據(jù)隔水巖盤的質量優(yōu)劣,分別采用突變理論、巖體斷裂力學及關鍵塊體理論,對巖盤不同破壞模式下的失穩(wěn)機理進行研究,并指出隔水巖盤在突水過程中的破壞模式具有非確定性;最后針對巖盤破壞非確定性特征,采用可考慮滲流—損傷耦合機制的數(shù)值軟件對隔水巖盤的失穩(wěn)過程進行分析,再現(xiàn)了巖盤內突水通道的形成過程,并據(jù)多場信息隨隧道開挖過程的演化規(guī)律揭示了隔水巖盤的失穩(wěn)破壞機制;(4)填充介質失穩(wěn)模式突水的災變機理為填充介質的失穩(wěn)破壞�；诖罅客凰畬嵗恼{研分析,提出了含水構造內填充介質的不同種類,并據(jù)此分析了填充介質滲透特性的區(qū)別;基于滲透性差異,分析了填充介質滲透失穩(wěn)及滑移失穩(wěn)機制,并采用工程實例分別進行了驗證。(5)基于防突層穩(wěn)定性影響因素的分析,提出防突層質量及巖溶水壓是導致防突層失穩(wěn)破壞的最關鍵因素;將含水溶腔位于隧道頂部、側部、底部工況下的防突層簡化為兩端固支梁模型,將含水溶腔發(fā)育于掌子面正前方工況下的防突層簡化為四周固支圓板模型,利用彈性理論,基于梁板抗彎、抗剪、或抗拉強度準則建立防突層安全厚度預測方法;將頂部、底部防突層簡化為兩端固支梁模型,將掌子面前方、側部防突層簡化為四周固支板模型,基于尖點突變模型,建立防突層安全厚度計算公式;(6)交叉組合工程實際中常見級別圍巖及溶腔水壓,形成不同計算工況,據(jù)此分別建立存在相交式、分離式突水隱患隧道的數(shù)值模型試驗,采用三維快速拉格朗日法,考慮流固耦合作用,研究分步開挖及分步支護條件下隧道施工力學響應;提出并分析了隧道開挖過程中、不同圍巖級別及巖溶水壓條件下模型及防突層位移場演化規(guī)律,并據(jù)此提出不同圍巖級別與巖溶水壓組合工況下防突層的安全厚度值,通過對結果進行回歸擬合分析,分別建立了相交式、分離式突水隧道在不同圍巖條件下的防突層安全厚度計算公式;(7)分別選取存在相交式、分離式突水隱患的隧道作為工程適用性研究素材,檢驗了防突層安全厚度預測方法的可行性及合理性,發(fā)現(xiàn)基于強度理論及突變理論的防突層安全厚度預測方法可適用于某些工況,但均存在一定局限性,基于施工力學響應的預測模型運用簡單,且工程表現(xiàn)完美,具有很強的適用性及操作性,易被現(xiàn)場工程師所接受,在實際工程中可作強有力的參考。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：U453.6
，

本文編號：2397848