隐伏溶洞对隧道围岩 ——支护结构稳定性的影响研究

论文摘要

岩溶灾害是山区隧道建设中常见的地质灾害之一,论文针对岩溶区隧道建设中隐伏溶洞对隧道围岩、支护结构稳定性的影响展开研究,主要进行了以下几方面的研究工作:(1)结合西南地区岩溶隧道灾害调查,对不同空间展布和尺度隐伏溶洞引起的隧道工程问题进行分析,针对该地区常见隐伏溶洞对隧道稳定性的影响建立了相应的力学分析模型。在分析溶洞形成机理和围岩变形特性基础上,提出了溶洞模拟的“空场”力学模型和考虑溶蚀条件的“隧道”力学模型。(2)分析了含大尺度隐伏溶洞时溶洞与隧道间岩层的失稳机理,将大尺度隐伏溶洞影响时隧道顶板、底板的失稳简化为梁板的跨塌问题,采用弹性理论推导了岩溶隧道顶板、底板的最小安全厚度分析计算公式。(3)针对大部分常见中、小尺度溶洞引起的岩溶隧道稳定性问题,应用数值试验方法,系统分析了不同位置、规模的隐伏溶洞对圆形、城门洞型隧道围岩应力、位移和支护结构内力的影响;分析了不同溶洞影响下围岩塑性区的变化特征。在数值试验基础上,对不同规模、位置隐伏溶洞引起隧道位移变化规律的内在机理进行了分析;给出了隐伏溶洞影响时隧道围岩位移、应力和支护结构内力变化的量化特征;提出了隐伏溶洞影响范围划分图。(4)研究了不同位置、尺度隐伏溶洞对隧道围岩空间位移变化特征的影响;分析了不同围岩条件和地应力条件时隐伏溶洞对隧道围岩位移、应力和支护结构内力影响的变化规律。(5)跟踪岩溶区隧道施工进行了现场原位试验,对几种空间展布和尺度隐伏溶洞引起的围岩位移、应力和支护结构内力的影响进行了现场测试;分析了不同围岩条件时隐伏溶洞对隧道围岩和支护结构特性影响的变化规律。通过依托工程典型洞段洞外预埋位移观测仪器(机械式多点位移计),研究了有溶洞与无溶洞条件下隧道位移空间变形特性的变化。现场原位试验,进一步验证了数值试验分析结论的合理性和可信性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 主要符号表
• 第一章 综述
• 1.1 隧道岩溶灾害及研究意义
• 1.1.1 隧道岩溶灾害
• 1.1.2 隧道岩溶灾害研究的意义及本论文的研究对象
• 1.2 溶洞对隧道影响的研究现状及发展
• 1.2.1 岩溶隧道工程地质勘察研究现状
• 1.2.2 岩溶隧道施工技术研究现状
• 1.2.3 溶洞对隧道稳定性影响的研究现状
• 1.2.4 溶洞对隧道影响研究中存在的问题
• 1.3 本文的研究思路及研究内容
• 1.3.1 论文的研究思路
• 1.3.2 论文的研究内容
• 第二章 隐伏溶洞引起的隧道灾害形式及其分析方法
• 2.1 西南地区溶洞空间展布形态和尺寸分析
• 2.1.1 溶洞分布形态及尺寸
• 2.1.2 溶洞轴线方位
• 2.2 隐伏溶洞引起的隧道灾害形式及分析模型
• 2.2.1 溶洞与隧道近似平行时隧道岩溶灾害形式及分析方法
• 2.2.2 大尺度隐伏溶洞影响下隧道岩溶灾害形式及分析方法
• 2.3 大尺度隐伏溶洞引起的隧道岩溶灾害问题分析
• 2.3.1 隧道与溶洞间岩层的失稳机理
• 2.3.2 岩溶隧道最小顶板安全厚度分析
• 2.3.3 岩溶隧道最小底板安全厚度分析
• 第三章 隐伏溶洞影响下隧道施工建造过程数值试验方法探讨
• 3.1 溶洞力学模型及数值模拟方法
• 3.1.1 溶洞力学模型探讨
• 3.1.2 两种力学模型应力差异的对比分析
• 3.1.3 溶洞数值试验模拟
• 3.2 隧道施工建造过程数值模拟方法探讨
• 3.2.1 隧道围岩、支护结构力学模型及模型参数
• 3.2.2 数值试验平台及试验模型边界条件
• 3.3 隐伏溶洞影响下隧道施工建造过程的数值模拟
• 第四章 隐伏溶洞对圆形隧道稳定性影响的数值试验研究
• 4.1 隐伏溶洞对圆形隧道影响分析的数值试验方案
• 4.2 顶部隐伏溶洞对圆形隧道稳定性的影响分析
• 4.2.1 顶部隐伏溶洞对圆形隧道位移的影响
• 4.2.2 顶部隐伏溶洞对圆形隧道围岩应力及塑性区的影响
• 4.2.3 顶部隐伏溶洞对圆形隧道支护结构内力的影响
• 4.2.4 顶部隐伏溶洞引起的隧道位移变化特征的内在机理分析
• 4.3 底部隐伏溶洞对圆形隧道稳定性的影响分析
• 4.3.1 底部隐伏溶洞对圆形隧道位移的影响
• 4.3.2 底部隐伏溶洞对圆形隧道围岩应力和塑性区的影响
• 4.3.3 底部隐伏溶洞对圆形隧道支护结构内力的影响
• 4.3.4 底部隐伏溶洞引起的隧道位移变化特征的内在机理分析
• 4.4 水平隐伏溶洞对圆形隧道稳定性的影响分析
• 4.4.1 水平隐伏溶洞对圆形隧道位移的影响
• 4.4.2 水平隐伏溶洞对圆形隧道围岩应力和塑性区的影响
• 4.4.3 水平隐伏溶洞对圆形隧道支护结构内力的影响分析
• 4.4.4 水平隐伏溶洞引起的隧道位移变化特征的内在机理分析
• 4.5 隐伏溶洞对隧道稳定性影响的参数敏感性分析
• 4.5.1 岩溶区隧道稳定性影响的因素分析
• 4.5.2 侧压力系数对围岩应力的影响分析
• 4.5.3 围岩类别变化时隐伏溶洞对隧道稳定性的影响研究
• 4.6 隐伏溶洞对隧道空间变形特征的影响研究
• 4.6.1 隐伏溶洞对隧道位移空间效应影响的研究思路
• 4.6.2 空间效应数值试验模型、参数及试验方案
• 4.6.3 隐伏溶洞对隧道空间效应影响的数值试验结果及分析
• 4.6.4 溶洞对隧道空间效应影响的机理分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 隐伏溶洞对城门洞型隧道稳定性影响的数值试验研究
• 5.1 隐伏溶洞对城门洞型隧道影响分析的数值试验方案
• 5.2 顶部隐伏溶洞对城门洞型隧道稳定性的影响分析
• 5.2.1 顶部隐伏溶洞对城门洞型隧道位移的影响
• 5.2.2 顶部隐伏溶洞对城门洞型隧道围岩应力及塑性区的影响
• 5.2.3 顶部隐伏溶洞对城门洞型隧道支护结构内力的影响
• 5.3 底部隐伏溶洞对城门洞型隧道稳定性的影响分析
• 5.3.1 底部隐伏溶洞对城门洞型隧道位移的影响
• 5.3.2 底部隐伏溶洞对城门洞型隧道围岩应力及塑性区的影响
• 5.3.3 底部隐伏溶洞对城门洞型隧道支护结构内力的影响
• 5.4 水平隐伏溶洞对城门洞型隧道稳定性的影响分析
• 5.4.1 水平隐伏溶洞对城门洞型隧道位移的影响
• 5.4.2 水平隐伏溶洞对城门洞型隧道围岩应力及塑性区的影响
• 5.4.3 水平隐伏溶洞对城门洞型隧道支护结构内力的影响
• 5.5 侧边隐伏溶洞对城门洞型隧道稳定性的影响分析
• 5.5.1 侧部隐伏溶洞对城门洞型隧道位移的影响
• 5.5.2 侧边隐伏溶洞对城门洞型隧道围岩应力及塑性区的影响
• 5.5.3 侧边隐伏溶洞对城门洞型隧道支护结构内力的影响
• 5.6 隐伏溶洞对隧道稳定性影响的范围探讨
• 5.7 本章小结
• 第六章 隐伏溶洞对隧道稳定性影响的现场原位试验研究
• 6.1 试验隧道的工程概况及工程地质条件
• 6.2 现场原位试验方案与思路
• 6.3 现场多点位移计观测结果及分析
• 6.4 溶洞对隧道位移影响的实测结果及与数值分析结果的对比分析
• 6.4.1 不同围岩类别时隧道位移实测结果及数值对比分析模型
• 6.4.2 侧边隐伏溶洞影响的实测结果及与数值分析结果的对比
• 6.4.3 顶部隐伏溶洞影响的实测结果及与数值分析结果的对比
• 6.4.4 隐伏溶洞影响范围的现场实测及与数值分析结果的对比
• 6.5 溶洞对支护结构内力影响的实测结果及与数值分析结果的对比
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论及展望
• 7.1 论文主要结论
• 7.2 进一步研究的设想
• 致谢
• 参考文献
• 附录攻读博士学位期间完成的相关工作
• 附录－1 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录－2 攻读博士学位期间参加编写的教材
• 附录－3 攻读博士学位期间参加、主持的研究项目
• 附录－4 攻读博士学位期间获得的科技奖励