岩溶区隧道与前方有压溶洞安全距离预测研究.pdf
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1、分类号 TU9 密级UDC 编号专业学位硕士学位论文岩溶区隧道与前方有压溶洞 安全距离预测研究(国家自然科学基金No.AEO3O155)专业学科名称 工程硕士(建筑与土木工程领域):岩溶区隧道与前方有压溶洞安全距离预测研究 摘要我国是世界上岩溶分布最广的国家,仅黔、桂、滇三省,岩溶分布即占三省总面积 的一半左右。随着基础设施建设重心逐步向岩溶发育较为广泛的西部地区倾斜,岩溶地 区的隧道建设成为西部交通发展面临的巨大挑战。当隧道周围有隐伏溶洞存在时,如何 合理确定两者间安全距离是个相当棘手技术难题,它不仅关系到隧道能否顺利施工,还 将影响后期的安全运营和隧道工程造价。因此本文针对岩溶区在建隧道突
2、水灾害发生机 理及溶洞与隧道间的安全距离预测展开系统研究,主要工作和结论如下:(1)首先基于大量岩溶隧道突水实例的搜集分析,结合岩溶区相关知识,提出隧 道突水是灾害源积蓄能量、突水能量释放条件达成(包括突水通道形成和防突层失稳)和隧道施工扰动共同作用的结果,地质因素和水文因素是突水灾害爆破的必要前提和基 础条件,而施工扰动则是突水灾害爆发的直接诱因。进而从突水能量的释放条件出发,保留合理的防突层厚度是防止突水灾害发生的关键。(2)从隧道与溶洞结构稳定性角度出发,基于岩层破坏机理讨论了溶洞存在时隧 道开挖引起的围岩应力变化。进而提出岩溶隧道安全距离的判断依据,即溶洞塑性区与 隧道开挖塑性区贯通时
3、,该临界状态所对应的两者最短距离为安全距离。(3)建立了正前方存在有压溶洞影响下岩溶区隧道开挖的三维有限元数值模型。掌子面前方发育含水溶洞时,水压作用下掌子面最大位移变形量往往集中于防突层中心 部位,随着隧道掌子面接近溶洞,位移变形逐渐增大至发生突变失稳;塑性区主要分布 在隧道掌子面的衬砌周边围岩并向前方发展,隧道墙脚处塑性变形较大,主要发生剪切 破坏。隧道与溶洞间防突层塑性区贯通时其轴向位移也发生突变,说明两种方法作为隧 道失稳判据具有较好的一致性及可靠性。随着围岩质量降低、隧道埋深减小、溶洞直径 和水压增大,防突层围岩轴向位移更大,塑性区域更早出现贯通,安全距离明显增大,说明这四个因素对安
4、全距离的影响很大。(4)设计并建立了岩溶隧道安全距离与各个影响因素关系的预测模型。为进一步 了解岩溶隧道安全距离与各影响因素间的具体关系,筛选出围岩等级、隧道埋深、溶洞 直径、溶洞水压四个重要因素,采用正交设计法设计了关于岩溶隧道安全距离的16组 数值模拟试验,并用多元线性回归的方法得到各因素讨论范围内安全距离预测模型。结 合南宁地铁二号线一处工程实例验证了数值模拟和预测模型的有效性,为岩溶区隧道设I计和施工提供理论依据。关键词:前方溶洞;安全距离;岩溶隧道突水;数值模拟;预测模型nPrediction of safety distance between tunnels in karst a
5、rea and pressurized caves in frontABSTRACTChina is the co untry with the widest karst distributio n in the wo rld.I t is o nly in the three pro vinces o f Yunnan,Guang x i and Guizho u.The karst distributio n acco unts f o r abo ut half o f the to tal area o f the three pro vinces.As the f o cus o f
6、 inf rastructure co nstructio n g radually tilts to ward the western reg io n where karst develo pment is widespread,tunnel co nstructio n in karst areas has beco me a hug e challeng e f o r the develo pment o f western traf f ic.When there are hidden caves aro und the tunnel,ho w to determine the s
7、af ety distance between the two is a very dif f icult technical pro blem.I t is no t o nly related to the smo o th co nstructio n o f the tunnel,but also af f ects the later saf ety o peratio n and tunnel co nstructio n co st.Theref o re,this paper studies the mechanism o f water inrush disasters in
8、 tunnels in karst area and the saf ety distance predictio n between caves and tunnels.The main wo rk and co nclusio ns are as f o llo ws:(1)Firstly based o n the co llectio n and analysis o f a larg e number o f karst tunnel water inrush instances,co mbined with the relevant kno wledg e o f karst ar
9、ea,it is pro po sed that the tunnel water inrush is the so urce o f reservo ir energ y and the release o f water inrush energ y(including the f o rmatio n o f water inrush and the instability o f the o utburst)and tunnel co nstructio n.As a result o f the jo int actio n o f disturbances,g eo lo g ic
10、al f acto rs and hydro lo g ical f acto rs are the necessary preco nditio ns and basic co nditio ns f o r the blasting o f water inrush disasters,and co nstructio n disturbances are the direct cause o f the o utbreak o f water inrush disasters.Furthermo re,f ro m the release co nditio ns o f water i
11、nrush,retaining a reaso nable thickness o f the anti-burst layer is the key to preventing the o ccurrence o f water inrush disasters.(2)Fro m the perspective o f structural stability o f tunnels and caves,the variatio n o f surro unding ro ck stress caused by tunnel ex cavatio n is discussed based o
12、 n the f ailure mechanism o f ro ck f o rmatio n.Furthermo re,the judg ment basis o f the saf ety distance o f the karst tunnel is pro po sed.When the plastic zo ne o f the karst cave and the plastic zo ne o f the tunnel ex cavatio n penetrate,the sho rtest distance co rrespo nding to the critical s
13、tate is the saf ety distance.(3)A three-dimensio nal f inite element numerical mo del f o r tunnel ex cavatio n in the nikarst area under the inf luence o f pressure caverns is established.When the water-so luble cave is develo ped in f ro nt o f the ace,the max imum displacement def o rmatio n o f
14、the f ace under the actio n o f water pressure tends to co ncentrate o n the center o f the anti-burst layer.As the tunnel f ace appro aches the cave,the displacement def o rmatio n g radually increases to a sudden instability;plastic zo ne The tunnel mainly distributed o n the f ace o f the tunnel
15、lining the surro unding ro ck and develo ping f o rward.The plastic def o rmatio n at the f o o t o f the tunnel wall is larg e,mainly causing shear f ailure.The ax ial displacement o f the anti-pro trusio n plastic zo ne between the tunnel and the cavern is also abrupt,indicating that the two metho
16、 ds have g o o d co nsistency and reliability as the tunnel instability criterio n.As the quality o f surro unding ro ck decreases,the buried depth o f the tunnel decreases,the diameter o f the cavern and the water pressure increase,the ax ial displacement o f the surro unding ro ck o f the anti-bur
17、st layer is larg er,the plastic zo ne appears earlier,and the saf ety distance increases sig nif icantly,indicating these f o ur f acto rs.The impact o n saf ety distance is g reat.(4)A predictio n mo del f o r the relatio nship between the saf ety distance o f karst tunnels and vario us inf luencin
18、g f acto rs was desig ned and established.I n o rder to f urther understand the specif ic relatio nship between the saf ety distance o f karst tunnel and vario us inf luencing f acto rs,f o ur impo rtant f ecto rs o f surro unding ro ck g rade,tunnel depth,cave diameter and cave water pressure were
19、selected.The saf ety distance o f karst tunnel was desig ned by o rtho g o nal desig n metho d.Six teen numerical simulatio n ex periments were carried o ut,and a multivariate linear reg ressio n metho d was used to o btain a predictio n mo del o f the saf ety distance within the rang e o f each f a
20、cto r discussio n.Co mbined with an eng ineering ex ample o f Nanning Metro Line 2,the validity o f the numerical simulatio n and predictio n mo del is verif ied,which pro vides a theo retical basis f o r the desig n and co nstructio n o f the tunnel in the karst area.KEY WORDS:Fro nt cave;saf e dis
21、tance;Water inrush in karst tunnel;Numerical Simulatio n;Predictive mo delIV目录摘要.IABSTRACT.I ll第一章绪论.11.1 研究背景和意义.11.1.1 研究背景.11.1.2 研究意义.21.2 国内外研究现状.21.2.1 岩溶突水灾害发生机理与控制因素分析.21.2.2 隧道与溶洞间安全距离研究现状.21.2.3 隧道与溶洞间安全距离影响因素研究现状.21.3 研究内容和技术路线.21.3.1 研究内容.71.3.2 技术路线.7第二章 岩溶突水灾害发生机理与控制因素分析.102.1 前言.102.2
22、 岩溶隧道突水发生机理.102.2.1 灾害源的能量储存.102.2.2 突水能量释放条件.122.2.3 施工扰动的触发.132.3 岩溶隧道突水控制因素.132.3.1 地质因素.132.3.2 水文因素.142.3.3 施工因素.152.4 岩溶隧道突水灾害特征.162.4.1 突水灾害对施工的影响.162.4.2 突水灾害对周围环境的影响.162.5 本章小结.17v第三章岩溶区隧道掌子面前方溶洞安全距离数值模拟研究.183.1 前言.183.2 数值模拟方法研究.183.2.1 数值模拟方法简介.183.2.2 ABAQUS 软件简介.193.3 岩溶区隧道与前方溶洞安全距离的数值模
23、拟方法.203.3.1 土体本构模型.203.3.2 模型范围确定和网格划分.213.3.3 溶洞的模拟.223.3.4 隧道开挖与支护过程的模拟.233.4 岩溶隧道间安全距离判断标准及影响因素选取范围.253.4.1 安全距离判据标准.253.4.2 影响因素选取及范围.263.5 计算结果分析.293.5.1 隧道开挖对围岩位移场的影响.293.5.2 隧道开挖对防突层塑性区域的影响.323.5.3 不同围岩等级对防突层塑性区域的影响.333.5.4 不同埋深对防突层塑性区域的影响.353.5.5 不同溶洞直径对防突层塑性区域的影响.383.5.6 不同溶洞水压对防突层塑性区域的影响.4
24、03.6 本章小结.42第四章岩溶区隧道学子面前方溶洞安全距离预测模型.444.1 前言.444.2 岩溶区隧道掌子面前方溶洞安全距离正交设计试验.444.2.1 正交设计法.444.2.2 影响因素选取和划分.454.3 多元线性回归计算模型理论.474.3.1 多元线性回归计算模型参数估计理论.474.3.2 多元线性回归计算模型结果检验理论.50VI4.4 岩溶区隧道掌子面前方溶洞安全距离计算模型建立与检验.514.4.1 计算模型建立.514.4.2 计算模型检验.524.5 实例验证.534.5.1 工程背景.534.5.2 计算结果及对比分析.554.6 本章小结.56第五章结论.
25、575.1 结论.575.2 展望.58参考文献.59VII广西大学工程硕士学位论文岩溶 区隈埴与前方次压溶洞安全距离预测研究第一章绪论L1研究背景和意义1.1.1 研究背景岩溶,又称为“喀斯特”(Karst),是可溶岩石在水的长期溶蚀下引起的各种地质现 象和形态的总称。它包含了地表和地下水流对可溶岩石的化学溶蚀作用,也涵盖了机械 侵蚀、溶解后经水运走再沉积等作用。经过亿万年风雨,造化了名扬天下的桂林山水、贵州重庆的天生桥、广西乐业天坑、路南石林,同时也形成了无数地下暗河,让滔滔河 水消失于无形我国岩溶地质分布大江南北,在全国960万km?国土面积上,可溶岩层 分布面积约344.3万kn?,占
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