隧道浅埋段通过富水岩石破碎带的围岩稳定性数值分析

论文摘要

穿山隧道的出入口处上覆岩层一般较薄,多属于强风化带,且围岩一般比较破碎,所以在隧道浅埋段经常遇到岩石破碎带,给工程带来很大危害。尤其在雨季多发的季节这些岩石破碎带会由于连续降水等因素,致使这些软弱夹层中含水量比较大,有时能近似的看成是饱水的,这就涉及到了岩土介质的流固耦合问题,给实际工程的施工又带来了一大难题。本文结合辽宁省建昌县境内灰窑子隧道的工程地质条件和施工条件进行模拟开挖,应用岩土工程专用软件FLAC3D建立的流固耦合数值模型对隧道浅埋段穿过饱水岩石破碎带的围岩稳定性进行了数值分析研究。本文结合灰窑子隧道工程的施工情况和具体的工程地质条件,应用FLAC3D数值软件建立了隧道施工过程中的三维数值模型,采用立体跟踪监测数据的方法,通过分析围岩位移、围岩应力、围岩塑性区和支护结构力学特性来分析隧道浅埋段在穿过饱水岩石破碎带的开挖过程中三维的围岩稳定性问题。主要研究内容：(1)对隧道围岩稳定的研究方法做了总结,选用数值分析的方法对隧道的开挖过程进行隧道围岩的稳定性研究。应用FLAC3D数值软件进行流固耦合程序的实现与简单调试,在调试的过程中对数值模型选用合理的数值分析参数。(2)对实际工程进行简化,应用建立的流固耦合数值模型,对比不同的开挖进尺对隧道围岩稳定性的影响,结合实际的施工条件选取合适的开挖进尺；经过开挖方法的初步选取后,选取全断面法开挖和两台阶法开挖进行详细比较,选出合理的数值模拟施工方案。(3)根据灰窑子隧道的工程地质条件和施工条件,应用建立的流固耦合数值模型通过FLAC3D软件进行三维数值模拟开挖。在数值计算的过程中充分考虑初期支护(喷锚支护)和二次支护(模筑混凝土)对围岩稳定性的影响。对比分析了在不同渗流条件下的隧道浅埋段通过岩石破碎带的围岩稳定性,进而对实际工程问题提出有益的帮助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出和研究意义
• 1.2 围岩稳定性的研究
• 1.2.1 围岩稳定性影响因素
• 1.2.2 围岩稳定性研究方法
• 1.3 流固耦合模型理论综述
• 1.4 岩石破碎带
• 1.5 工程背景简介
• 1.6 本文研究内容和研究思路
• 1.6.1 主要研究内容
• 1.6.2 研究思路
• 第2章 流固耦合理论及其数值模型
• 2.1 概述
• 2.2 FLAC3D中的流固耦合模型
• 2.2.1 流体问题的提出
• 2.2.2 流体问题的求解
• 2.3 一维固结理论
• 2.3.1 单向固结理论假设
• 2.3.2 单向固结理论微分方程
• 2.3.3 单向固结微分方程的解
• 2.4 一维固结理论算例
• 2.4.1 流固耦合程序调试
• 2.4.2 流固耦合数值结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 开挖进尺与开挖方法的选取
• 3.1 概述
• 3.2 开挖进尺的选取
• 3.2.1 数值模型的建立
• 3.2.2 数值模拟结果分析
• 3.3 开挖方法的选取
• 3.3.1 开挖方法的初步选取
• 3.3.2 数值模型的建立
• 3.3.3 模型的边界条件
• 3.3.4 模型的参数选取
• 3.3.5 数值模型跟踪点的选取
• 3.3.6 拱顶存在岩石破碎带时围岩稳定性分析
• 3.3.7 拱底存在岩石破碎带时围岩稳定性分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 灰窑子隧道数值模拟分析
• 4.1 工程地质概况
• 4.2 灰窑子隧道工程数值计算
• 4.2.1 数值计算分析思路
• 4.2.2 渗流模式初步选择
• 4.2.3 数值模型的实现
• 4.2.4 监测点的选取
• 4.2.5 模型参数的选取
• 4.2.6 模拟开挖过程
• 4.2.7 模拟结果的分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论
• 5.1 结论
• 5.2 需要完善之处
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者简介