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原文传递岩溶隧道防突厚度及突水机制研究

论文题名：	岩溶隧道防突厚度及突水机制研究
关键词：	岩溶隧道;地质灾害;突水机理;防突厚度;防治对策
摘要：	随着我国西部大开发战略的快速推进,西部地区交通等基础建设迅猛发展,长大岩溶隧道建设越来越多。岩溶隧道修建过程中,经常遇到突水、涌泥等大型地质灾害,轻则冲毁器具,贻误工期,重则造成人员伤亡和重大经济损失。本文以岩溶区隧道施工中防突层突水灾变为研究对象,通过工程实例调查、室内试验、理论分析以及数值模拟等手段,分析山岭隧道-岩溶系统概化模型及岩溶隧道突水机理,建立隧道与周边隐伏溶腔间岩层最小防突厚度及掌子面前方岩墙安全厚度的计算方法,并总结和概括岩溶隧道突水防治对策,取得了一系列具有重要理论意义和工程应用价值的研究成果: 　　 (1)以最具代表性的宜万线岩溶隧道为例分析了山岭隧道岩溶发育特征、分布规律及形态,阐明了隧址区的地层岩性、岩层构造、地下水渗流途径等因素是深部大型岩溶形态及空间分布的主控因素,总结了不同岩溶形态的地质灾害及风险,并进一步分析了其与岩溶隧道的位置关系。基于此,将隧道-岩溶系统概化为弹性梁板模型、双孔洞模型、裂隙导通模型等四种力学模型,为采用定量手段研究岩溶隧道灾害机理提供基础；　　 (2)通过室内单轴压缩试验、三轴压缩试验以巴西劈裂试验对岩溶区灰岩的基本力学性质和强度特征进行了深入研究,发现自然状态和饱和状态的岩溶区灰岩力学性质差别显著。结合现场调查得出的岩体结构特征和主要结构面的表面状况,确定了地质强度指标GSI和岩体的霍克-布朗岩体强度参数及变形模量；　　 (3)通过实际岩溶隧道突涌水实例的调查与分析,将岩溶突水划分为高压裂隙突水、富水溶腔突水、地下暗河或岩溶管道突水及断层突水,并从微、宏观层面分析了岩溶隧道突水机理,指出围岩二次应力重分布和高水头岩溶水压力共同作用下的综合破坏型突水是岩溶隧道突水的主要类型,并通过离散元数值模拟对隧道与水压充填溶腔间防突岩层破坏突水灾变过程进行了验证；　　 (4)针对大尺度隐伏溶腔,将防突岩层简化为两端固定梁模型,采用弹性理论,基于岩体抗弯、抗剪强度准则建立岩层最小防突厚度计算方法；针对中小尺度隐伏溶腔,采用Schwarz交替法结合格里菲斯强度准则计算岩层最小防突厚度,并编制基于该方法的计算程序,同时讨论了埋深、侧压力系数、溶腔尺度等因素对防突厚度的影响,特别是岩溶水压力的影响;针对裂隙导通突水模式,采用最小拉应力理论研究了隐伏断层活化突水方向,根据裂纹扩展准则建立了该突水模式下的最小防突厚度计算公式；　　 (5)从断裂力学角度分析了高压岩溶水作用下裂隙的扩展机理,发现自然营造力作用下的水压劈裂多属压剪破坏模式。运用断裂力学和水力学理论分析了隧道掌子面突水的滞后效应和扩径效应,指出裂纹扩展的跳跃性在宏观上表现为隧道掌子面突水的滞后性；掌子面突水通道的最终形成需经过多个阶段,其最终尺寸受岩溶水压力、掌子面岩体工程质量等因素的控制。在综合分析基础上,认为隧道掌子面突水是由于开挖扰动降低了水压劈裂的临界水压力导致的,基于此观点,建立了基于临界水压力的掌子面岩墙安全厚度计算公式；　　 (6)根据防突厚度及突水机理的研究成果,结合岩溶隧道灾害治理的工程实践及前人在此方面的研究结论,总结、概括了岩溶隧道突水防治的基本原则、突水治理对策,重点讨论了防治高压富水充填溶腔突水突泥灾害的新技术-释能降压法。
作者：	郭佳奇
专业：	地下工程
导师：	乔春生
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文