邻近富水坑道对隧道围岩稳定性影响研究

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随着国家西南部大开发战略方案的施行,高速公路与铁路得到空前的发展,隧道成为穿越山岭的主要选择。我国也是一个能源大国,资源被大肆和无序开采,留下大量的富水坑道。在资源丰富的区域,因为各种原因,导致隧道不可避免地穿越邻近既有富水坑道地段及其影响区。隧道开挖时极易引起突泥、突水,甚至发生坍塌、冒顶等工程事故,对施工安全、施工进度及施工成本影响巨大,因此深入研究邻近富水坑道对隧道围岩稳定性影响具有重大意义。本文以贵州省毕镇高速公路水箐隧道为工程依托,采用前期地勘资料与现场工程补充勘察对富水坑道与水箐隧道空间相对位置进行推断分析,在此基础上对水箐隧道进行现场测试及现场工况数值模拟,得出水箐隧道受上覆富水坑道的影响范围及大小;继而开展室内模型试验、数值仿真、理论分析工作,进一步探求邻近富水坑道对隧道围岩稳定性影响的一般规律,研究主要内容有:(1)采用现场地质调查、高密度电法及TSP探测三种方法,对水箐隧道进口浅埋段进行现场工程补充勘察,以确定富水坑道大致位置,并有针对性地布置钻孔,准确确定了富水坑道与水箐隧道空间位置与规模。表明对富水坑道进行探测时,“现场地质调查+高密度电法+TSP探测”能取得较好的效果。(2)在推断富水坑道与水箐隧道空间位置的基础上,进行水箐隧道现场测试及现场工况数值模拟,得出水箐隧道在ZK15+604.5处开始受到上覆富水坑道的影响,到ZK15+639.5处影响基本结束;ZK15+604.5ZK15+639.5区段拱顶下沉明显,最大沉降量为32.01mm,相对于不受影响区段,此区段拱顶最大累计沉降增长58.3%。现场测试与数值模拟结果差别较小,同时也证明了数值模拟的可行性。(3)开展室内隧道模型试验对隧道邻近无坑道、上覆富水坑道、斜上方45°富水坑道3类工况进行研究,通过改变富水坑道与隧道的相对距离,探讨了邻近富水坑道对隧道围岩稳定性的影响规律,得出了富水坑道对隧道围岩影响分区表。(4)通过FLAC3D数值分析软件对隧道邻近无坑道、上覆富水坑道、斜上方45°富水坑道、水平平行富水坑道、斜下方45°富水坑道、下伏富水坑道等6类工况进行数值模拟,得出各类工况下围岩的相对应力与变形大小,划分了邻近富水坑道对隧道围岩影响的分区图。将数值模拟和室内试验结果对比,二者结论相似,从而验证了数值模拟的可行性。(5)基于极限分析上限法,通过引入非线性的H-B破坏准则,构建了浅埋隧道掌子面主动二维多块体的破坏机制。通过虚功原理获得各部分功率,建立功率平衡方程得出包含安全厚度C的隐函数,通过matlab的Fmincon函数对C进行优化求解,获取在不同影响因素作用下安全厚度C的最优上限解。进而探究了三角块体的数量n、隧道尺寸D、水压力σw、地质强度指标GSI对安全厚度的影响规律。
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