近年來,隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展,城市人口的不斷增長,“城市病”問題日益突出,其中,交通擁堵已成為我國大部分城市面臨的主要問題之一。為有效緩解地面交通壓力,改善城市交通環(huán)境,我國城市建設(shè)方向開始逐步轉(zhuǎn)向地下空間開發(fā)利用。地鐵作為一種城市公共交通運(yùn)輸形式,可充分利用城市地下空間,提高城市空間資源利用效率,已經(jīng)成為21世紀(jì)中國城市基礎(chǔ)設(shè)施和交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分。由于我國城市地質(zhì)條件復(fù)雜,大量地鐵的修建難以避免穿越巖溶地層,巖溶區(qū)修建地鐵面臨諸多技術(shù)難題,若處治不當(dāng),極易引發(fā)巖溶塌陷、隧道突涌水等災(zāi)害,嚴(yán)重影響盾構(gòu)隧道的安全施工和運(yùn)營。本文以濟(jì)南地鐵盾構(gòu)隧道工程為依托,綜合采用地質(zhì)調(diào)研、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算、理論分析、模型試驗(yàn)和軟件研發(fā)等手段,深入研究了泉域地層復(fù)雜形態(tài)溶洞精細(xì)化表征方法及其對(duì)盾構(gòu)隧道施工圍巖穩(wěn)定性的影響,主要成果如下:(1)在系統(tǒng)調(diào)研泉域水文地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上,揭示了泉域地層巖溶發(fā)育條件及作用反饋機(jī)制,總結(jié)歸納了直接型、間接型及承壓型三種巖溶發(fā)育模式;統(tǒng)計(jì)分析了濟(jì)南地鐵沿線溶洞規(guī)模、充填類型、高程發(fā)育特征、溶洞與盾構(gòu)隧道之間空間位置關(guān)系,為后續(xù)研究提供地質(zhì)基礎(chǔ)和指導(dǎo)。(2)針對(duì)激光在充水溶洞中衰減過快造成的探測距離有限難題,開展了復(fù)雜溶洞水環(huán)境下多波長激光定量衰減特性與最大探測距離試驗(yàn)研究,探究了不同波長和功率激光在多種溶洞水溶解介質(zhì)及渾濁度下的衰減特性,并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)探測激光進(jìn)行了優(yōu)化選型,形成了復(fù)雜形態(tài)溶洞精細(xì)化重構(gòu)方法。(3)基于Geomagic點(diǎn)云處理平臺(tái),提出了溶洞模型點(diǎn)云最優(yōu)化采樣間距確定方法,并構(gòu)建了 Geomagic-Comsol耦合數(shù)值模型接口,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜形態(tài)溶洞的穩(wěn)定性數(shù)值分析,對(duì)比分析了簡化溶洞模型和復(fù)雜形態(tài)溶洞模型的圍巖受力性能。(4)針對(duì)溶洞幾何形態(tài)的高度不規(guī)則性,提出了溶洞幾何邊界多層次數(shù)字化表征參數(shù),第一層次包括整體形狀系數(shù)(SF)、扁平度(AR)和似球度(SL);第二層次包括角狀系數(shù)(AF)和凸度(CF),第三層次為邊界輪廓線粗糙度(RF)�；诟道锶~離散變換原理,實(shí)現(xiàn)了溶洞幾何波形從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)變,并構(gòu)建了傅里葉普適性形態(tài)表征因子,確定了不同序列傅里葉形態(tài)表征因子與三層次表征參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系,將復(fù)雜形態(tài)溶洞的數(shù)字化定量表征參數(shù)簡化至兩個(gè):D2和D3,為后續(xù)力學(xué)性能與形態(tài)幾何之間響應(yīng)關(guān)系的建立提供了研究基礎(chǔ)。(5)基于極限分析上限法,建立了溶洞位于隧道正前方、環(huán)向側(cè)上方及環(huán)向側(cè)下方任意位置的三維破壞模型,推導(dǎo)了對(duì)應(yīng)工況的溶洞與隧道間臨界安全距離計(jì)算公式,并分析了巖體力學(xué)參數(shù)、溶洞參數(shù)及幾何約束參數(shù)對(duì)安全距離的影響規(guī)律;計(jì)算了“正直方位”的溶洞幾何邊界傅里葉形態(tài)表征因子,并通過優(yōu)化二分法和巖體失穩(wěn)判據(jù),分別計(jì)算了對(duì)應(yīng)工況的不規(guī)則溶洞與隧道間臨界安全距離;分析了三種力學(xué)模型下臨界安全距離與溶洞幾何形態(tài)間的定量響應(yīng)關(guān)系,建立了考慮溶洞形態(tài)影響效應(yīng)的臨界安全距離預(yù)測模型。(6)研制了富水巖溶地層盾構(gòu)隧道施工圍巖穩(wěn)定性模型試驗(yàn)系統(tǒng)。復(fù)合式EPB盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)機(jī)可通過更換刀盤,實(shí)現(xiàn)不同地層盾構(gòu)施工過程模擬,掘進(jìn)出土性能良好,盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)機(jī)可根據(jù)模型箱體尺寸進(jìn)行高度調(diào)整,具有多功能、智能化及重復(fù)利用率高等特點(diǎn),更好的滿足了城市地鐵盾構(gòu)法施工隧道相關(guān)的地質(zhì)模型試驗(yàn)需求,基于上述模型試驗(yàn)系統(tǒng),開展了復(fù)雜形態(tài)充水溶洞盾構(gòu)近臨施工圍巖穩(wěn)定性模型試驗(yàn)。驗(yàn)證了不規(guī)則溶洞臨界安全距離預(yù)測模型的準(zhǔn)確性,重點(diǎn)揭示了盾構(gòu)掘進(jìn)過程巖體結(jié)構(gòu)的多物理場演化規(guī)律,并通過分析出土試樣含水率對(duì)開挖面突涌水過程進(jìn)行了狀態(tài)判識(shí);構(gòu)建了不同掘進(jìn)階段的地表沉降三維模型,同時(shí)分析了不同盾構(gòu)掘進(jìn)階段的地層損失參數(shù)。(7)開發(fā)了溶洞多參數(shù)表征與穩(wěn)定性評(píng)判軟件。軟件可建立巖溶發(fā)育特征數(shù)據(jù)庫,對(duì)整個(gè)工程區(qū)域巖溶發(fā)育特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;具備復(fù)雜形態(tài)溶洞二維及三維可視化功能,快速求解溶洞不規(guī)則形態(tài)的數(shù)字化表征參數(shù),并進(jìn)一步計(jì)算對(duì)應(yīng)的臨界安全距離數(shù)值,實(shí)現(xiàn)大批量溶洞處治與否的精細(xì)化評(píng)判;該軟件系統(tǒng)可充分利用精細(xì)化探測成果和數(shù)據(jù),提供針對(duì)性的安全處治參數(shù)和指導(dǎo)方案,實(shí)現(xiàn)處治效果的高度優(yōu)化,并應(yīng)用于濟(jì)南地鐵工程。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：U455.43;U451.2
【部分圖文】：

矛盾的有效途徑［２］。目前，我國共有６３個(gè)城市己獲得軌道交通規(guī)劃批準(zhǔn)，在實(shí)逡逑施的規(guī)劃建設(shè)總里程達(dá)到７６１１公里，預(yù)計(jì)到２０２０年，我國軌道交通運(yùn)營線路逡逑將達(dá)到１７７條，運(yùn)營總里程超過６１００公里，如圖１．１所示⑴。逡逑ＷＯＯ邋ｒ邐＾逡逑８０００邋＊邋■逡逑７０００邋？邐＿邋■逡逑圖１．１我國軌道交通運(yùn)營里程（單位：公里）逡逑Ｆｉｇ．１．１邋Ｍｉｌｅａｇｅ邋ｏｆ邋ｎｅｗ邋ｏｐｅｒａｔｉｎｇ邋ｒａｉｌ邋ｔｒａｎｓｉｔ邋ｌｉｎｅｓ邋ｅｖｅｒｙ邋ｙｅａｒ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ邋（ｕｎｉｔ：邋ｋｍ）逡逑由于我國幅員遼闊，城市地質(zhì)條件極為復(fù)雜，軌道交通工程的大量修建面逡逑臨著各種難題，尤其以富水巖溶地層為代表Ｗ。我國巖溶面積高達(dá)３６３萬平方逡逑公里，約占我國國土面積的三分之一以上，因此，大量的軌道交通建設(shè)將難以逡逑避免穿越巖溶發(fā)育區(qū)Ｗ，如濟(jì)南地鐵需要穿越硬巖富水溶洞群、武漢地鐵需穿越逡逑“蜂巢溶洞”、長沙地鐵需穿越復(fù)雜水下溶洞區(qū)等。逡逑１逡逑

洞、溶腔、破碎帶裂隙連成一體，承壓水頭高度逐漸增大至盾構(gòu)隧道以上５ｍ處，逡逑且補(bǔ)給能力強(qiáng)。盾構(gòu)機(jī)在全斷面灰?guī)r地層中掘進(jìn)，區(qū)間盾構(gòu)機(jī)開挖面發(fā)生突涌逡逑水，如圖１．２所示，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)螺旋機(jī)無法實(shí)現(xiàn)理想栓塞狀態(tài)，螺旋機(jī)卸料口處逡逑泥渣噴涌，清渣工作量大，消耗時(shí)間長，嚴(yán)重影響盾構(gòu)隧道施工效率。與此同逡逑時(shí)，Ｒ２線任家莊－臘山區(qū)間、Ｒ３線奧體中心區(qū)間亦有大量溶洞發(fā)育，影響盾構(gòu)逡逑隧道施工安全。更為重要的是，已規(guī)劃修建的濟(jì)南地鐵Ｍ線將穿越泉水核心揭逡逑露區(qū)和泉水敏感區(qū)，地鐵修建將面臨著更加豐富和復(fù)雜的地下水系統(tǒng)，因此，逡逑如何在保護(hù)泉城地下水的前提下，有力的保障濟(jì)南地鐵盾構(gòu)隧道安全施工，具逡逑有重要研宄意義。逡逑Ｐｉ＿逡逑卜邋ｍ邋〃逡逑圖１．２濟(jì)南軌道交通Ｒ１線隧道開挖面突涌水逡逑Ｆｉｇ．１．２邋Ｋａｒｓｔ邋ｗａｔｅｒ邋ｉｎｒｕｓｈ邋ｉｎ邋Ｊｉｎａｎ邋Ｍｅｔｒｏ邋Ｒ１逡逑２逡逑

２．１泉域地鐵修建與泉水保護(hù)逡逑濟(jì)南地區(qū)以泉水聞名于世，地下水網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，泰山北麓由南向北傾斜的構(gòu)逡逑造單元是泉水形成的重要地質(zhì)背景。大氣降雨滲入可溶性碳酸鹽巖后，沿地形逡逑趨勢由南向北徑流，在單斜構(gòu)造與北部平原交接地帶富集，并出露地表，形成逡逑上升泉。巖溶發(fā)育區(qū)修建地鐵極易導(dǎo)致地表沉降及塌陷、涌水、涌泥等災(zāi)害發(fā)逡逑生，在已運(yùn)營和在建的地鐵都市核心區(qū)快線（Ｒ線）中，巖溶穿越區(qū)發(fā)育有大量溶逡逑洞，且規(guī)劃修建的中心城區(qū)普線（Ｍ線）將穿越泉水核心出露區(qū)和敏感區(qū)范圍，逡逑如圖２．１所示。核心出露區(qū)位于泉水敏感區(qū)之內(nèi)，由趵突泉、五龍?zhí)兑约白o(hù)城河逡逑組成，面積約２．６平方公里。泉水敏感區(qū)位于地壘之上，區(qū)域范圍為經(jīng)十路以逡逑北，大明湖路以南，順河高架以東，歷山路以西，區(qū)域面積約６．８平方公里。泉逡逑水敏感區(qū)集中出露大量泉眼，灰?guī)r頂板及巖溶水位埋深較淺，巖溶水量巨大，逡逑屬強(qiáng)富水區(qū)，并發(fā)育有大量溶洞，巖漿巖風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙發(fā)育，考慮到泉逡逑域地下水的復(fù)雜性及“保泉”的重要性，將為泉域地鐵的安全建設(shè)帶來巨大挑逡逑戰(zhàn)，且泉域富水地層修建軌道交通工程尚無成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。逡逑

本文編號(hào)：2815069