高水压充填型岩溶隧道稳定性研究
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摘要
岩溶地区因受其特殊的地质构造影响,往往具有高水压、富水、溶洞及断层的特征,因而,在岩溶地区修建隧道及地下工程,施工中极易诱导突发大规模的涌水、涌泥、涌砂等灾害。同时,隧道内大量的涌水、涌砂和涌泥,会使地层内有效应力改变,以及地下水渗流场和补排关系发生变化,继而造成地下水资源的减少和枯竭,引起岩溶地区地表产生塌陷和沉降,导致地下水质的污染和破坏。因此,对岩溶隧道突水突泥机理及其防治技术的研究具有工程实际意义。
本文总结了岩溶隧道施工过程中发生突水突泥的基本规律；利用突变理论和岩体断裂力学分析了隧道突水突泥的机理；对隧道掌子面附近区域存在高压水的状况下的掌子面围岩稳定性以及水压对衬砌内力的影响进行了相似模型试验研究；对隧道掌子面前部及拱顶部存在高压充水溶洞岩溶隧道施工过程进行了三维数值分析；根据对岩溶隧道突水、突水机理的分析结果,提出了岩溶隧道突水突泥的防治原则。本文主要研究内容包括：
(1)介绍了我国4个典型岩溶隧道(洞)在现场施工中发生的突水突泥情况,总结出隧道岩溶突水突泥的基本规律。
(2)隧道围岩突水失稳是一个典型的突变失稳过程,将突变理论首次应用于隧道突水的研究之中。假定隧道底部有高压充水溶洞,根据充水溶洞的大小关系,将溶洞顶板简化为四周固支的大变形椭圆形板、矩形板和固支梁3种模型。通过研究隧道底板系统能量的失稳,建立了预测隧道底板突水的尖点突变模型,导出了系统失稳时受力的临界值及失稳时底板变形和能量释放的表达式,为岩溶隧道突水预报提供了新的理论方法。
(3)从两个方面探讨了隧道围岩突水失稳的力学机理。首先,根据裂隙岩体裂纹面的应力状态,从断裂力学角度将高压水头作用下岩体的裂纹扩展分为拉剪复合扩展和压剪复合扩展,应用工程近似裂纹复合失稳准则,分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式；基于最大周向正应力理论,研究并给出了复合型裂纹在不同应力状态及化学损伤作用下扩展的临界应力强度因子和扩展方向角。其次,隧道开挖使高压充水溶洞与隧道掌子面间的距离减小,由于掌子面安全岩盘厚度不够引起围岩突水失稳。
(4)以几何相似比CL=30和容重相似比Cr=1为基础相似比,实现在弹性范围内各控制性物理力学参数的全相似性,对围岩特征、物性、原始地应力场、支护结构刚度和支护时机、开挖步骤进行了相似模拟。模型试验获得了隧道掌子面附近区域存在高压充水溶洞的状况下的掌子面围岩轴向位移的变化规律以及隧道周围有高压充水溶洞时的水压、间距和围岩级别变化对衬砌内力的影响。
(5)以隧道掌子面前部和拱顶部存在高压充水溶洞隧道为例。采用三维快速Lagrange法,对隧道全断面开挖与支护过程中的力学行为进行研究,获得高水压充填型岩溶隧道在动态分步开挖、分步支护情况下围岩位移、应力和围岩塑性区的分布规律及支护结构受力和变形特征。
(6)总结了国内外现有隧道(洞)施工涌水处理技术与成功经验,提出在高压富水段采用分流减压措施而后进行帷幕注浆止水,对突发性涌水采用快速封堵、分流减压、注浆止水等应急处理方案。
Because of the influence of the special geological structure, karst often has the features of high water pressure, rich water, karst caves and faults. Therefore, during tunnel construction in karst area, it is extremely easy to lead to such project calamities as sudden and extensive inflow of water, mud and sand if enough care is not paid. Furthermore, the large amount of water, sand and mud flowing into the tunnel changes the effective stress of the ground, as well as the seepage field and the supply-drainage relation of the ground water, which causes the reduction and exhaustion of the ground water resources within the influenced area., therefore, more and more people have paid attention to the mechanism and control of the water burst in karst tunnels.
This dissertation summarized the fundamental rules of water gushing and mud gushing; The mechanism of water gushing is studied by basic knowledge of catastrophic theory and fracture mechanics; The surrounding rock stability of tunnel heading and the influence facor of internal forces of lining are studied by similarity model test; A three dimensional numerical analysis for the tunnel with high water pressure karst cave were located in the front of tunnel face and the top of tunnel; On basis of the analysis result of the water burst mode and water burst mechanism of karst caves tunnel, the prevention and control principles for water gushing and mud gushing are put forward. The main contents of this dissertation are as follows:
(1) Description of the water burst and mud burst occurring in the 5 typical karst caves tunnels in our country, and summarized the fundamental rules of water gushing and mud gushing.
(2) Tunnel surrounding rock water bursting unstability is a typical catastrophic process. A catastrophic theory was applied in tunnel water bursting for the firs time. The bottom of tunnel has a filled high water pressure karst cave, on the basis of dimension of karst cave, the roof of karst cave simplified as large deformation elliptic plate, rectangular plate and beam with fixed supports. Through the research on the instability of energy in the floor system of tunnel, a cusp catastrophic model applied to forecasting water bursting in the floor was put forward. The formulas of the critical stress, the strain and the released energy of the instable floor were developed. So, a new theory approach was offered for the forecast of water bursting in karst cave tunnel.
(3) Mechanical mechanism about tunnel surrounding rock water bursting unstability is studied from two aspects. One,based on stress state in fracture surface and fracture mechanics, the fracture propagation is divided into tension-shear mixed cracking and compression-shear mixed cracking under high water pressure. Using fracture propagation engineering criterion, calculation formulae of critical internal water pressure of two kinds of failure model are obtained respectively; The stress intensity factor and the propagation orientation of the complex cracks in rocks under different external stress are studies with the theory of maximum surrounding primary stress, and the effect of chemical damage and water pressure. Effects of water pressure on the complex cracks in rocks are different under different external stresses. Two, because of tunnel excavation, safety distance between karst cave filled with high pressure water and tunnel is smaller and lead to surrounding rock water bursting unstability.
(4) Taking geometric similarity ratio CL= 30 and bulk density similarity ratioCr=1 as basic similarity ratio, so as to achieve complete similarity of various controlled physical and mechanical parameters in the elastic range and strictly simulate the characteristics of surrounding rock, physical property, original earth stress field, stiffness of support structures and support time.
The axial displacement characteristics of excavating face with high water pressure and the influence of change of water pressure, distance of tunnel and karst cave, surrounding rock classification to internal force of lining are obtained form those model experiments.
(5) Two type tunnels, which high water pressure karst cave were located in the front of tunnel face and the top of tunnel, is taken as an example.The mechanical response of full face excavation and support is studied using the three-dimensional fast Lagrangian analysis of continua method. The numerical simulation reveals the distribution characteristics of displacement and stress and plastic zone and the mechanics characteristic of support structure for the high water pressure filled karst caves tunnel under the condition of dynamic step excavation and support.
(6) This dissertation summarized the dewatering technique and succeed experiments in domestic and overseas construction of tunnel (openings), on this base, grouting method is recommended, At the section rich of water and high pressure adopted the method that grouting after dividing influent for decreasing preesure; to the water inflow ouccured suddenly, some emergent programs would be adopted, for example, fast flood protection, dividing influent for decreasing pressure, grouting, and so on.
本文总结了岩溶隧道施工过程中发生突水突泥的基本规律；利用突变理论和岩体断裂力学分析了隧道突水突泥的机理；对隧道掌子面附近区域存在高压水的状况下的掌子面围岩稳定性以及水压对衬砌内力的影响进行了相似模型试验研究；对隧道掌子面前部及拱顶部存在高压充水溶洞岩溶隧道施工过程进行了三维数值分析；根据对岩溶隧道突水、突水机理的分析结果,提出了岩溶隧道突水突泥的防治原则。本文主要研究内容包括：
(1)介绍了我国4个典型岩溶隧道(洞)在现场施工中发生的突水突泥情况,总结出隧道岩溶突水突泥的基本规律。
(2)隧道围岩突水失稳是一个典型的突变失稳过程,将突变理论首次应用于隧道突水的研究之中。假定隧道底部有高压充水溶洞,根据充水溶洞的大小关系,将溶洞顶板简化为四周固支的大变形椭圆形板、矩形板和固支梁3种模型。通过研究隧道底板系统能量的失稳,建立了预测隧道底板突水的尖点突变模型,导出了系统失稳时受力的临界值及失稳时底板变形和能量释放的表达式,为岩溶隧道突水预报提供了新的理论方法。
(3)从两个方面探讨了隧道围岩突水失稳的力学机理。首先,根据裂隙岩体裂纹面的应力状态,从断裂力学角度将高压水头作用下岩体的裂纹扩展分为拉剪复合扩展和压剪复合扩展,应用工程近似裂纹复合失稳准则,分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式；基于最大周向正应力理论,研究并给出了复合型裂纹在不同应力状态及化学损伤作用下扩展的临界应力强度因子和扩展方向角。其次,隧道开挖使高压充水溶洞与隧道掌子面间的距离减小,由于掌子面安全岩盘厚度不够引起围岩突水失稳。
(4)以几何相似比CL=30和容重相似比Cr=1为基础相似比,实现在弹性范围内各控制性物理力学参数的全相似性,对围岩特征、物性、原始地应力场、支护结构刚度和支护时机、开挖步骤进行了相似模拟。模型试验获得了隧道掌子面附近区域存在高压充水溶洞的状况下的掌子面围岩轴向位移的变化规律以及隧道周围有高压充水溶洞时的水压、间距和围岩级别变化对衬砌内力的影响。
(5)以隧道掌子面前部和拱顶部存在高压充水溶洞隧道为例。采用三维快速Lagrange法,对隧道全断面开挖与支护过程中的力学行为进行研究,获得高水压充填型岩溶隧道在动态分步开挖、分步支护情况下围岩位移、应力和围岩塑性区的分布规律及支护结构受力和变形特征。
(6)总结了国内外现有隧道(洞)施工涌水处理技术与成功经验,提出在高压富水段采用分流减压措施而后进行帷幕注浆止水,对突发性涌水采用快速封堵、分流减压、注浆止水等应急处理方案。
Because of the influence of the special geological structure, karst often has the features of high water pressure, rich water, karst caves and faults. Therefore, during tunnel construction in karst area, it is extremely easy to lead to such project calamities as sudden and extensive inflow of water, mud and sand if enough care is not paid. Furthermore, the large amount of water, sand and mud flowing into the tunnel changes the effective stress of the ground, as well as the seepage field and the supply-drainage relation of the ground water, which causes the reduction and exhaustion of the ground water resources within the influenced area., therefore, more and more people have paid attention to the mechanism and control of the water burst in karst tunnels.
This dissertation summarized the fundamental rules of water gushing and mud gushing; The mechanism of water gushing is studied by basic knowledge of catastrophic theory and fracture mechanics; The surrounding rock stability of tunnel heading and the influence facor of internal forces of lining are studied by similarity model test; A three dimensional numerical analysis for the tunnel with high water pressure karst cave were located in the front of tunnel face and the top of tunnel; On basis of the analysis result of the water burst mode and water burst mechanism of karst caves tunnel, the prevention and control principles for water gushing and mud gushing are put forward. The main contents of this dissertation are as follows:
(1) Description of the water burst and mud burst occurring in the 5 typical karst caves tunnels in our country, and summarized the fundamental rules of water gushing and mud gushing.
(2) Tunnel surrounding rock water bursting unstability is a typical catastrophic process. A catastrophic theory was applied in tunnel water bursting for the firs time. The bottom of tunnel has a filled high water pressure karst cave, on the basis of dimension of karst cave, the roof of karst cave simplified as large deformation elliptic plate, rectangular plate and beam with fixed supports. Through the research on the instability of energy in the floor system of tunnel, a cusp catastrophic model applied to forecasting water bursting in the floor was put forward. The formulas of the critical stress, the strain and the released energy of the instable floor were developed. So, a new theory approach was offered for the forecast of water bursting in karst cave tunnel.
(3) Mechanical mechanism about tunnel surrounding rock water bursting unstability is studied from two aspects. One,based on stress state in fracture surface and fracture mechanics, the fracture propagation is divided into tension-shear mixed cracking and compression-shear mixed cracking under high water pressure. Using fracture propagation engineering criterion, calculation formulae of critical internal water pressure of two kinds of failure model are obtained respectively; The stress intensity factor and the propagation orientation of the complex cracks in rocks under different external stress are studies with the theory of maximum surrounding primary stress, and the effect of chemical damage and water pressure. Effects of water pressure on the complex cracks in rocks are different under different external stresses. Two, because of tunnel excavation, safety distance between karst cave filled with high pressure water and tunnel is smaller and lead to surrounding rock water bursting unstability.
(4) Taking geometric similarity ratio CL= 30 and bulk density similarity ratioCr=1 as basic similarity ratio, so as to achieve complete similarity of various controlled physical and mechanical parameters in the elastic range and strictly simulate the characteristics of surrounding rock, physical property, original earth stress field, stiffness of support structures and support time.
The axial displacement characteristics of excavating face with high water pressure and the influence of change of water pressure, distance of tunnel and karst cave, surrounding rock classification to internal force of lining are obtained form those model experiments.
(5) Two type tunnels, which high water pressure karst cave were located in the front of tunnel face and the top of tunnel, is taken as an example.The mechanical response of full face excavation and support is studied using the three-dimensional fast Lagrangian analysis of continua method. The numerical simulation reveals the distribution characteristics of displacement and stress and plastic zone and the mechanics characteristic of support structure for the high water pressure filled karst caves tunnel under the condition of dynamic step excavation and support.
(6) This dissertation summarized the dewatering technique and succeed experiments in domestic and overseas construction of tunnel (openings), on this base, grouting method is recommended, At the section rich of water and high pressure adopted the method that grouting after dividing influent for decreasing preesure; to the water inflow ouccured suddenly, some emergent programs would be adopted, for example, fast flood protection, dividing influent for decreasing pressure, grouting, and so on.
引文
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