流固耦合作用下第三系半成岩地层的隧道稳定性分析

发布时间：2017-10-22 14:26

  本文关键词：流固耦合作用下第三系半成岩地层的隧道稳定性分析

  更多相关文章： 第三系地层 流固耦合 隧道稳定性 初始水头高度 渗透系数 侧压力系数 工程措施

【摘要】：随着我国地下工程的发展,越来越多的铁路隧道在第三系高水压地层中建造,而第三系地层具有不同于其他岩层的特殊工程性质,比如地层成岩度比较低,暴露易风化,遇水易软化等,这容易引起隧道施工中的塌方、大变形和突水涌沙现象,并且在运营期间也容易出现翻浆冒泥现象,给施工稳定性带来极大的风险。因此对此类地层进行工程性质的研究,加深对此类地层的认识,对实际工程具有十分重要的意义。本文依托蒙华铁路中条山隧道的勘察设计,综合分析地质勘察报告和水文地质报告以及室内岩土实验的基础上,结合地下水渗流理论,通过利用有限差分软件FLAC3D5.0模拟三台阶七步开挖工况下隧道周边渗流场、围岩变形、初支受力和塑性区变化规律,得出地下水渗流对隧道开挖稳定性的影响,结论如下：(1)渗流场通过改变岩体结构的物理、化学、力学性能,导致应力场发生变化；应力场通过改变岩体结构的渗透率、渗透系数和储水系数影响了渗流场。(2)通过对比考虑流固耦合作用和不考虑耦合作用两种工况,得出：考虑流固耦合作用下,隧道围岩的位移变化、初支的受力以及塑性区的变化都要远大于不考虑耦合作用,从而在方案设计中,不可忽视地下水渗流产生的动水压力,并要特别注意渗流矢量集中部位的防排水工作,如隧道的拱顶、拱肩和仰拱等。(3)通过研究初始水头高度对隧道围岩、初支应力和位移的影响规律,得出：随初始水头高度的增加,隧道的拱顶沉降、周边收敛、拱底隆起以及掌子面挤出位移均呈线性增大,塑性区影响范围和初支受力也逐渐增大。(4)通过研究围岩渗透系数对隧道围岩和初支结构应力和位移的影响规律,得出：当围岩渗透系数大于10-5cm/s时,隧道围岩、初支的变形和受力的变化很小；当围岩渗透系数小于10-5cm/s时,随着渗透系数的继续减小,隧道围岩的位移变化不大,但初支的最大主应力减小,而塑性区影响范围增大。(5)通过研究侧压力系数对隧道围岩、初支结构应力和位移的影响规律,得出：随着侧压力系数的增大,拱顶沉降有所减小,周边收敛、拱底隆起位移增大,初支最大主应力的最大值集中于拱肩、拱腰部位且呈增大趋势,塑性区的分布形状也由蝴蝶状往环状发展,λ=1.0时,塑性区体积最小。(6)针对以上中条山隧道的数值模拟结果和穿越地层的特殊工程性质,提出了合适的工程措施如水平旋喷桩预加固、防水设计以及“先让后支“技术等,从而保证施工的正常进行。以上的研究,为实际工程中不同区域不同控制因素引起的围岩变形和初支应力控制提供理论依据,从而对中条山隧道的顺利贯通起到基础性作用。
【关键词】：第三系地层 流固耦合 隧道稳定性 初始水头高度 渗透系数 侧压力系数 工程措施
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 1 绪论13-25
• 1.1 选题的意义及研究背景13-15
• 1.2 国内外研究现状15-21
• 1.2.1 工程施工对地下水环境影响15-16
• 1.2.2 岩体的流固耦合研究现状16-19
• 1.2.3 施工稳定性的主要研究方法19-21
• 1.3 研究内容、方法及技术路线21-25
• 1.3.1 研究内容21
• 1.3.2 研究方法21-22
• 1.3.3 研究路线22-25
• 2 流固耦合的理论分析25-41
• 2.1 引言25
• 2.2 渗流场对应力场的作用25-28
• 2.2.1 地下水对岩土体的物理弱化作用25-26
• 2.2.2 地下水对岩土体的化学弱化作用26
• 2.2.3 地下水对岩土体的力学作用26-28
• 2.3 应力场对渗流场的作用28-32
• 2.3.1 应力场对渗透率和渗透系数的影响29-31
• 2.3.2 应力场对储水系数的影响31-32
• 2.4 流固耦合数学模型的介绍32-41
• 2.4.1 地下水的渗流模型32-33
• 2.4.2 Biot固结理论等效连续介质耦合模型33-36
• 2.4.3 孔隙岩体等效连续介质耦合模型36-37
• 2.4.4 裂隙岩体等效连续介质耦合模型37-41
• 3 工程背景及流固耦合数值计算方法41-53
• 3.1 中条山隧道工程概况41-46
• 3.1.1 气象特征41-42
• 3.1.2 水文特征42-45
• 3.1.3 地质特征45-46
• 3.2 FLAC~(3D)5.0软件介绍46-52
• 3.2.1 FLAC~(3D)流固耦合的理论概述46
• 3.2.2 FLAC~(3D)流固耦合的计算特点46-47
• 3.2.3 FLAC~(3D)流固耦合的基本方程47-49
• 3.2.4 FLAC~(3D)流固耦合的参数设定49-50
• 3.2.5 FLAC~(3D)流固耦合的边界条件50
• 3.2.6 FLAC~(3D)流固耦合的问题求解50-52
• 3.3 本章小结52-53
• 4 流固耦合作用下隧道稳定性分析53-79
• 4.1 引言53
• 4.2 数值模型及边界条件53-55
• 4.3 计算参数设置55-56
• 4.4 施工工序56-57
• 4.5 监测点布置57-58
• 4.6 数值模拟结果分析58-77
• 4.6.1 流固耦合作用下渗流场的分析58-61
• 4.6.2 流固耦合作用下应力场的分析61-66
• 4.6.3 流固耦合作用下位移场的分析66-75
• 4.6.4 流固耦合作用下塑性区的分析75-77
• 4.7 本章小结77-79
• 5 流固耦合作用下隧道稳定性的控制因素分析79-111
• 5.1 引言79
• 5.2 数值模型及边界条件79-80
• 5.3 计算参数设置80
• 5.4 不同初始水头高度对隧道稳定性的影响80-90
• 5.4.1 不同初始水头高度下渗流场的变化80-81
• 5.4.2 不同初始水头高度下位移场的变化81-86
• 5.4.3 不同初始水头高度下初支受力状态的变化86-88
• 5.4.4 不同初始水头高度下塑性区的变化88-90
• 5.5 不同渗透系数对隧道稳定性的影响90-97
• 5.5.1 不同渗透系数下渗流场的变化91-92
• 5.5.2 不同渗透系数下位移场的变化92-93
• 5.5.3 不同渗透系数下初支受力状态的变化93-95
• 5.5.4 不同渗透系数下塑性区的变化95-97
• 5.6 不同侧压力系数对隧道稳定性的影响97-103
• 5.6.1 不同侧压力系数下渗流场的变化98
• 5.6.2 不同侧压力系数下位移场的变化98-100
• 5.6.3 不同侧压力系数下初支受力状态的变化100-102
• 5.6.4 不同侧压力系数下塑性区的变化102-103
• 5.7 工程措施103-109
• 5.7.1 超前预加固设计103-106
• 5.7.2 防水设计106-107
• 5.7.3 “先让后支”技术107-108
• 5.7.4 开挖与支护建议108-109
• 5.7.5 信息化监测109
• 5.8 本章小结109-111
• 6 结论与展望111-113
• 6.1 主要结论111-112
• 6.2 展望112-113
• 参考文献113-117
• 作者简历117-121
• 学位论文数据集121

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本文编号：1078787