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乐广高速岩溶隧道稳定性及突涌水研究

作　者: 沈东东
导　师: 李云安
学　校: 中国地质大学
专　业: 地质工程
关键词: 岩溶隧道稳定性评价数值模拟涌水量分析断层破碎带
分类号: U453.61
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着西部大开发的深入和国家高速公路网的逐步完善,越来越多的隧道修建在岩溶区。在岩溶区域修建隧道面临的最大问题是隧道围岩的稳定性及突涌水地质灾害,研究岩溶区隧道稳定性及其工程应用,具有十分重要的理论及其工程实际指导意义。论文依托横向科研项目《乐广高速坪石至樟市段岩溶隧道专题研究》以及《长基岭隧道岩溶专题研究》,采取野外调查和室内归纳总结相结合、试验验证和理论分析相结合、多种方法综合运用的方法,对隧道围岩稳定性与突涌水进行研究,具体内容如下：(1)区域地质背景及隧道工程(水文)地质条件研究。总结了区域岩溶发育规律,并查明对隧道围岩稳定性及突涌水不利的地质条件。(2)稳定性影响因素及围岩分级研究。定性评价了各因素对隧道稳定性的影响,并通过围岩分级研究了区内围岩等级及稳定性,为进一步研究提供依据。(3)隧道稳定性评价数值模拟研究。利用ANSYS和FLAC3D软件分析了在支护时,隧道ZK91+600～ZK91+650段围岩的位移分布、应力分布及塑性区分布状况,评价了围岩破坏机理及支护后的稳定性。(4)隧道涌水量研究。通过岩溶示踪试验,查明地下水流向及对隧道的影响；通过经验公式估算每个溶洞(落水洞)的涌水量情况及总涌水量；通过水文地质分区研究计算,得出对隧道有影响的分区的日平均涌水量总和及最大涌水量总和；重点研究了赤老顶区的涌水量最大流速及涌水总量。(5)岩溶隧道治理对策探讨。针对以上研究内容,本文主要得出以下结论：(1)隧道区内发育有42个溶洞(9个位于线位左侧,3个位于线位中部,30个位于线位右侧),20条构造带(包含9条断层破碎带,3条不整合接触线及8条断隙),为地下水的运移、储藏提供了良好的通道及场所,对隧道开挖引起的围岩失稳、突涌水以及地面沉降带来极为不利的影响。(2)评价了岩性及厚度、岩层产状、地质构造、岩溶形态及空问分布、充填情况以及水文地质条件对隧道的影响,得出各影响因素间是相关联的,在一定条件下可相互促进,尤以位于线位左侧的溶洞、落水洞附近的断层破碎带以及流向隧道内侧的地下水对隧道的稳定性影响最大。通过围岩分级评价知隧道围岩以Ⅲ类和Ⅳ类围岩为主(两者合计总比例达77%),围岩整体较破碎,处于比较稳定-较不稳定状态,但是在溶洞、断层破碎带以及地下水的联合作用下,不及时支护易出现失稳破坏以及突涌水灾害。(3)选取ZK91+600～ZK91+650为研究对象,通过数值模拟定量评价知,隧道开挖在支护的情况下,以y=24m断面为例,水平方向(X)最大位移达22.31mm,竖直方向(Y)最大位移达29.25mm。隧道开挖后围岩破坏模式为拉张破坏,即围岩位移分别向隧道内侧和溶洞内侧收敛;最危险部位在隧道和溶洞间的侧部区域,最易引起失稳破坏；应力集中容易出现在岩溶与隧道间的围岩区域,特别是在拱腰。(4)通过离子示踪试验得出地下水运动规律：ZK90+120m～ZK91+930m地下水由ZK91+930m顺沿隧道轴线向入口ZK90+120m方向流动；ZK91+930m～ZK92+152m地下水则近于垂直隧道轴线向SW方向流动；ZK93+147.6m～ZK94+40m地下水山ZK93+147.6m顺沿隧道轴线向出口ZK94+40m方向流动。隧道左侧面的溶洞及其地下水对隧道会产生突涌水,而隧道右侧溶洞及其地下水对隧道不会产生突涌水。通过对隧道涌水量进行估算知：落水洞涌水量总量为7446.9m3/d；研究区一共分为12个水文地质区域,分水区隧道的日均涌水量为15135m3/d,日最大涌水量为1505695m3/d。赤老顶区(ZK91+700m)存在一地下水体,正常水位且无补给时,地下水最大流量达到191.2m3/s；极端情况时,地下水最大流量达到390.6m3/s,极易产生突涌水灾害。(5)总结了岩溶水、岩溶洞穴及洞穴充填物的处治对策,为隧道施工中的进一步处治设计提供理论依据。

全文目录

作者简介  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-19
  §1.1 选题依据及研究意义  12-13
  §1.2 国内外研究现状及发展趋势  13-17
    1.2.1 稳定性评价研究现状  13-15
    1.2.2 突涌水研究现状  15
    1.2.3 处治措施研究现状  15-16
    1.2.4 存在问题及发展趋势  16-17
  §1.3 研究内容、方法和技术路线  17
    1.3.1 研究内容和思路  17
    1.3.2 论文研究技术路线  17
  §1.4 论文研究特色  17-19
第二章研究区水文地质工程地质概况  19-33
  §2.1 乐广高速工程概况及交通位置  19-20
  §2.2 研究区地质环境背景  20-23
    2.2.1 区域工程地质特征  20
    2.2.2 区域水文地质特征  20-21
    2.2.3 研究区岩溶发育规律  21-23
    2.2.4 岩溶隧道工程地质问题概况  23
  §2.3 长基岭岩溶隧道工程地质条件  23-29
    2.3.1 地形地貌  24
    2.3.2 地层岩性  24-25
    2.3.3 地质构造  25-26
    2.3.4 不良地质现象  26-29
    2.3.5 动力地质作用  29
    2.3.6 人类工程活动的影响  29
  §2.4 长基岭岩溶隧道水文地质条件  29-32
  §2.5 本章小结  32-33
第三章长基岭隧道稳定性分析研究  33-53
  §3.1 隧道稳定性影响因素分析  33-37
    3.1.1 岩性及厚度的影响  33-34
    3.1.2 岩层产状的影响  34
    3.1.3 地质构造的影响  34
    3.1.4 溶洞形态及空间分布的影响  34-35
    3.1.5 充填情况的影响  35-36
    3.1.6 水文地质条件的影响  36-37
  §3.2 隧道围岩稳定性半定量评价研究  37-41
    3.2.1 围岩分级简介  37
    3.2.2 围岩稳定性评价及结果分析  37-41
  §3.3 隧道稳定性数值模拟研究  41-49
    3.3.1 三维地质模型概化  41-42
    3.3.2 开挖支护时稳定性数值模拟研究  42-49
  §3.4 岩溶塌陷预测分析  49-51
    3.4.1 岩溶塌陷机理分析  49-50
    3.4.2 长基岭隧道岩溶塌陷范围预测  50-51
  §3.5 长基岭隧道围岩稳定性现场验证  51-52
  §3.6 本章小结  52-53
第四章长基岭隧道涌水量预测研究  53-67
  §4.1 长基岭隧道地下水离子示踪试验  53-58
    4.1.1 离子示踪试验原理  53
    4.1.2 长基岭隧道岩溶离子示踪试验过程  53-55
    4.1.3 长基岭隧道岩溶离子示踪试验结果及分析  55-58
  §4.2 长基岭岩溶隧道涌水量研究分析  58-64
    4.2.1 大气入渗法  58-62
    4.2.2 专家智能评判法  62-64
  §4.3 长基岭隧道赤老顶涌水量研究  64-66
    4.3.1 模型的建立  64-65
    4.3.2 涌水量计算分析  65-66
  §4.4 本章小结  66-67
第五章长基岭岩溶隧道处治对策研究  67-70
  §5.1 岩溶隧道处治原则  67
  §5.2 岩溶隧道处治方案  67-70
第六章结论与展望  70-72
  §6.1 结论  70-71
  §6.2 不足及展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-76

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