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【博士】高水壓充填型巖溶隧道穩(wěn)定性研究【2009】

內容簡介

　　學科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：西南交通大學　　學位年度： 2009年　　本文總結了巖溶隧道施工過程中發(fā)生突水突泥的基本規(guī)律；利用突變理論和巖體斷裂力學分析了隧道突水突泥的機理；對隧道掌子面附近區(qū)域存在高壓水的狀況下的掌子面圍巖穩(wěn)定性以及水壓對襯砌內力的影響進行了相似模型試驗研究；對隧道掌子面前部及拱頂部存在高壓充水溶洞巖溶隧道施工過程進行了三維數值分析；根據對巖溶隧道突水、突水機理的分析結果，提出了巖溶隧道突水突泥的防治原則。本文主要研究內容包括：　　(1)介紹了我國4個典型巖溶隧道(洞)在現場施工中發(fā)生的突水突泥情況，總結出隧道巖溶突水突泥的基本規(guī)律?！　?2)隧道圍巖突水失穩(wěn)是一個典型的突變失穩(wěn)過程，將突變理論首次應用于隧道突水的研究之中。假定隧道底部有高壓充水溶洞，根據充水溶洞的大小關系，將溶洞頂板簡化為四周固支的大變形橢圓形板、矩形板和固支梁3種模型。通過研究隧道底板系統能量的失穩(wěn)，建立了預測隧道底板突水的尖點突變模型，導出了系統失穩(wěn)時受力的臨界值及失穩(wěn)時底板變形和能量釋放的表達式，為巖溶隧道突水預報提供了新的理論方法?！　?3)從兩個方面探討了隧道圍巖突水失穩(wěn)的力學機理。首先，根據裂隙巖體裂紋面的應力狀態(tài)，從斷裂力學角度將高壓水頭作用下巖體的裂紋擴展分為拉剪復合擴展和壓剪復合擴展，應用工程近似裂紋復合失穩(wěn)準則，分別推導出兩種破壞模式的臨界水壓計算公式；基于最大周向正應力理論，研究并給出了復合型裂紋在不同應力狀態(tài)及化學損傷作用下擴展的臨界應力強度因子和擴展方向角。其次，隧道開挖使高壓充水溶洞與隧道掌子面間的距離減小，由于掌子面安全巖盤厚度不夠引起圍巖突水失穩(wěn)。　　(4)以幾何相似比C，=30和容重相似比c，=l為基礎相似比，實現在彈性范圍內各控制性物理力學參數的全相似性，對圍巖特征、物性、原始地應力場、支護結構剛度和支護時機、開挖步驟進行了相似模擬。模型試驗獲得了隧道掌子面附近區(qū)域存在高壓充水溶洞的狀況下的掌子面圍巖軸向位移的變化規(guī)律以及隧道周圍有高壓充水溶洞時的水壓、間距和圍巖級別變化對襯砌內力的影響?！　?5)以隧道掌子面前部和拱項部存在高壓充水溶洞隧道為例。采用三維快速Lagrange法，對隧道全斷面開挖與支護過程中的力學行為進行研究，獲得高水壓充填型巖溶隧道在動態(tài)分步開挖、分步支護情況下圍巖位移、應力和圍巖塑性區(qū)的分布規(guī)律及支護結構受力和變形特征?！　?6)總結了國內外現有隧道(洞)施工涌水處理技術與成功經驗，提出在高壓富水段采用分流減壓措施而后進行帷幕注漿止水，對突發(fā)性涌水采用快速封堵、分流減壓、注漿止水等應急處理方案?！　?

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