详情

原文传递地铁隧道施工影响下土岩复合地层渐进破坏模式及演化规律

论文题名：	地铁隧道施工影响下土岩复合地层渐进破坏模式及演化规律
关键词：	地铁隧道;土岩复合地层;深浅埋划分;相似模型试验;离散元模拟;地层渐进破坏
摘要：	随着地铁隧道建设的蓬勃发展，地铁隧道穿越的地质条件更为复杂，近年来地铁隧道施工引起的地层失稳、坍塌等事故屡见不鲜。相较于单一地层，隧道施工干扰下土岩复合地层变形传递过程、力学演化特征、失稳破坏机制均不同。针对既有研究不足，本文以青岛土岩复合地层地铁隧道为背景，依托国家自然科学基金项目（批准号：51978356），就地铁隧道施工扰动下土岩复合地层渐进破坏模式及演化规律进行研究。首先采用数值计算方法对土岩复合地层隧道深浅埋界限进行了研究，在此基础上采用相似模型试验和离散元模拟等研究手段，揭示了地铁隧道施工干扰下土岩复合地层变形及渐进破坏机制，论文取得的主要研究工作和成果如下：　　（1）对现有的隧道深浅埋分界方法进行了总结分析，并基于临界成拱条件，对单一地层和复合地层的隧道深浅埋分界问题进行了研究。对于单一地层，在开挖直径相同的情况下，隧道临界成拱埋深随围岩条件的减弱而增大，但两者并不是线性关系，在围岩级别相同的情况下，隧道成拱临界埋深随开挖直径的增大而线性增大。对于土岩复合地层，地层临界成拱埋深主要与隧道直径、土岩分界面的位置、洞室开挖后岩层的应力应变以及岩层与土层的刚度比有关。一般情况下，压力拱高度越高，隧道临界成拱埋深越大，土岩分界面的位置将决定压力拱的外边界在岩层还是土层中形成，进而影响隧道的临界埋深。　　（2）基于相似模型试验和离散元软件PFC2D，对地铁隧道施工干扰下土岩复合地层变形及渐进破坏机制进行了研究，分析了不同覆岩厚度下隧道的失稳破坏模式。当覆岩厚度较小时，上覆土层是起荷载的作用，隧道上方岩层相当于一个拱形梁，梁在上部土层荷载作用下发生破坏，因此表现为的塌方破坏从拱顶开始，拱顶上方岩层完全塌落后，此时土层会以土岩分界面岩层的塌方宽度继续向上扩展，在埋深较大的情况下，塌方最终会停止，在土层中形成稳定的塌落拱。当覆岩厚度较大时，隧道开挖后，拱顶位置围岩向下收敛，开始侵入轮廓面界限，地层一般先从拱腰发生剪切破坏，然后扩展到拱顶，围岩松动主要以小块状掉落，最终形成塌落拱。　　（3）当隧道实际埋深为4D时，无论是土岩复合地层还是单一地层，隧道均为拱形塌方。土层的塌落拱范围最大，岩层的塌落拱范围最小，土岩复合地层的塌落拱范围介于土层和岩层之间。当拱顶覆岩厚度较小（hr=0，1/6D，1/3D），塌方穿过土岩分界面延伸至土层，但未扩展至地面，且覆岩厚度越小，土层的塌方范围越大。当覆岩厚度较大时（hr大于等于1/2D），隧道塌落拱完全在岩层中形成，塌落拱的高度随覆岩厚度的增加逐渐减小，但变化的幅度较小，因此工程中，1/2D可以做为土岩复合地层的最小覆岩厚度。当覆岩厚度超过D时，隧道的塌落过程和最终塌方范围与单一岩层相差不大。　　本文研究成果对土岩复合地层中隧道的设计、施工的分析和评价具有一定的借鉴和参考意义。
作者：	张坤鹏
专业：	岩土工程
导师：	张素磊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2021