38200字硕士毕业论文杜文高速公路地震前后软岩隧道地应力场演化规律及底鼓防治研究

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：38200字

论点：应力,隧道,力场

论文概述：

本论文以紫坪铺隧道为依托工程，采用现场调研、理论分析和数值模拟等手段，对工程区地应力场演化规律及紫坪铺隧道底板隆起进行了重点研究。以地震前后实测地应力资料为依据，采用FL

论文正文：

第一章引言

1.1研究背景和意义
随着我国公路隧道工程和地下工程的快速发展，深埋长危险道路的数量日益增多。由于深埋隧道埋深大，特别是穿越山岭的隧道，地质环境条件复杂多样，隧道穿越高地应力区，遇到软弱围岩时，往往会出现隧道周边变形大、底鼓等地质灾害。大量文献检索结果表明，围岩大变形已成为地下工程中的一个主要问题。底鼓是软弱围岩变形破坏的形式之一。由于软弱围岩物理力学性质复杂，强度低，裂隙发育，吸水膨胀等。导致软弱围岩对外界环境干扰抵抗力差，对施工开挖、爆破等影响极为敏感。软岩隧道施工中经常出现底鼓现象。一旦隧道底鼓发生，其变形通常是连续的，并且难以自行稳定。底鼓变形的不断发展不仅会减小隧道的横截面，造成开裂变形和对危险隧道衬砌的破坏，而且会对工程的安全施工和工程竣工后的安全运营产生很大影响(1)。虽然危险道路底部隆起和仰拱的破坏发生在铁路危险道路建设的早期，也就是19世纪中期，并引起了人们的注意，但危险道路的第一次严重软岩变形应该是1906年由穿梭工人修建的19.8公里长的新普伦一号线隧道，在此期间，[2]许多地方发生了围岩的大变形；辛普森隧道后，奥地利道恩公路隧道、奥地利阿尔贝里公路隧道和日本木艾纳山公路隧道相继发生软岩大变形。在我国铁路危险道路工程中，软岩大变形最早出现的是建于20世纪70年代的崔家沟单线铁路危险道路。此外，宝中铁路大寨岭隧道、青藏铁路官角隧道4.0公里长、南昆线贾竹泾铁路危险道路穿越煤系、317国道和平山公路隧道、铁山危险道路等其他典型工程均有不同形式和程度的大变形，
1.2国内外研究现状
1.2.1地应力场研究
地应力是地质环境和地壳稳定性评价、地质工程设计和施工的重要基础数据之一。隧道施工前，若主体处于原位应力下，无人为扰动。多年的实测和理论分析结果表明，地应力场是一个相对稳定的不稳定应力场，它是时间和空间空的函数，与地球的各种动力学过程有关。隧道工程中围岩的稳定性主要取决于围岩的力学性质和信息中的应力分布规律。地应力是直接作用于隧道围长的荷载，是影响危险隧道围长稳定性的主要因素之一。地应力场分析对确定工程区的稳定性和岩体的稳定性具有重要意义[6】。许多学者利用地质力学分析、地应力测量与反演、反演分析等方法对全球应力场、区域应力场和局部应力场进行了大量研究。其中，高地应力是危及工程岩体安全的主导因素。高地应力问题引起了国内外岩石力学和工程界的高度重视，沈军辉、[等对长河坝水电站坝址区地应力场的研究成果进行了深入研究。结果表明，随着深度的变化，边坡应力场呈蛇峰状分布，边坡应力场具有明显的分带性，从表面到内部可分为应力降低区、应力增加区、应力波动区和应力平稳区。二郎山隧道地应力场反演分析表明，在浅层改造影响区表层，由于山体近空侧卸荷松弛，法向应力减小，应力集中集中在与边坡向内平行的边坡上。地形地貌也是影响岩体地应力分布的重要因素之一。相关学者初步研究了不同成因类型地貌单元的地应力分布特征及其差异，并用实例进行了验证。
第二章研究区地质环境条件。
围岩变形大的地质灾害是一种危害大、修复费用高的地质灾害。据统计，国内外有近30个大变形隧道工程。大变形灾害不仅延误了工期，而且导致工程造价急剧增加。例如，南昆铁路贾竹青铁路390米长的大变形隧道段，延误了四个半月。根据计算，翻修费用接近隧道的正常费用。如果把所有的装修费用加在一起，损失可能会更加惊人。目前，危险道路和地下工程是大变形工程对策研究中的薄弱环节，导致两种结果:要么措施太强，造成浪费；要么大变形无法控制，造成设备损坏和人员伤亡。大量文献检索结果表明，大变形问题已成为[地下工程的世界性问题之一。杜文公路是213(317)国道的结合线。阿坝州汶川县都江堰至映秀镇为公路，映秀至汶川为二级公路。高速公路段位于四川省都江堰市和阿坝州汶川县，全长25公里。858公里。二级公路位于四川省阿坝州汶川县，全长70多公里。紫坪铺隧道长4090米(左隧道)，是一条超长隧道，是控制整个杜文公路建设周期和投资的重点工程。_道路轴线取1？西北，山脊上的山脊向东北延伸，与轴线成一个大角度相交。紫坪铺隧道左、右线运营期间，路面于2010年11月开裂隆起，沟内电缆槽挤压变形，严重威胁交通安全。紫坪铺隧道底板隆起需要结合现场调查、理论分析、数值模拟计算等手段，探索隧道底鼓的基木特征，分析影响隧道底鼓的主要因素及底鼓的发展过程等。在分析底鼓机理和数值模拟的基础上，提出了更合理的底鼓控制技术。该研究可有效解决紫坪铺隧道底鼓治理问题，并可为其他隧道底鼓治理提供有益的参考。因此，笔者在导师的指导下，在对紫坪铺隧道底板隆起段进行大量调查研究的基础上，结合“蕲川地震震中区独岐公路危险道路修复施工关键技术研究”课题，对其变形力学机理及防治对策进行了系统研究。

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2.1区域地形和地貌条件
研究区的总体地形北部高，南部低。由于支流的侵蚀和切割，形成了高山深谷、陡坡和两山一河的地貌格局。该地区地形高差很大，最低海拔685米，最高海拔3781米，相对高差为30%，流域内河谷发育，侵蚀强烈。该地区山地地貌类型有高山、中山和低山，以中山为主。研究区主要分布在海拔1000 ~ 3500米的中山地区，面积641.1平方公里，占研究区总面积的83.96%。其次是海拔500-1000米的低山，面积121.6平方公里，占研究区总面积的15.93%，762.66平方公里，占研究区总面积的98.89%。然而，山区仅占0.11%。绵江流域由北向南流经研究区中山和低山地区，然后进入成都平原。

2.2地层岩性条件
研究区地层发育较好，缺失所有寒武系(e)地层和大部分奥陶系(0)地层，涠洲茂陵仅有少量露头。该区地层主要为元古界吉江-晋宁、志留纪和三叠纪铬，占研究区的70%以上。元古代吉江-晋宁地层占研究区的44%。该区地层由老至新:元古界吉江-晋宁期、古武黄水河群、震旦系、奥陶系、志留系、泥盆纪、石炭纪、三叠纪、三叠纪、侏罗纪、白质、下第三纪和第四纪。该区岩石主要为花岗岩、砂岩、粉砂岩、石灰岩、千梅罗、闪长岩和石灰岩。其中，古维吾尔族姜维-晋宁期第四期黑云母花岗岩和斜长花岗岩、元古宙吉江-晋宁期第三期须家河组长石和长石、上三叠统流纹岩、粉砂质砂和煤层以及第四纪全新世粘质粉砂、壤土、砂和朔的韵律性广泛分布于研究区(表2-1)。

第三章汶川强震区地震前后的地应力场……28-55
3.1工程区现代构造应力场特征.........28-30
3.2工程区地应力现场测试结果.........30-33
3.3地震前后工程区地应力反演分析.........33-38
3.3.1计算基础.........33-36
3.3.2模拟计算.........36-38
3.4项目区区域地应力场演化规律.........38-49
3.4.1压力水平.........38-45
3.4.2应力方向.........45-49
3.5紫坪铺隧道现场应力场值.........49-54
3.6本章摘要.........54-55
第四章地震后软岩隧道底板隆起原因分析.........55-72
4.1隧道底鼓变形及原因分析.........[55-61/BR/]4.2紫坪铺隧道底鼓的形成与发展.........61-63 [/BR/] 4.2.1紫坪铺隧道底鼓破坏形式.........61-62
4.2.2紫坪铺隧道底鼓发育过程.........62-63 [/BR/] 4.3隧道底鼓数值模拟分析.........63-70[/比尔/] 4.3.1计算模型.........63-65
4.3.2计算参数.........65-67
4.3.3模拟结果和分析.........67-70
4.4本章摘要.........70-72
第5章软岩隧道底鼓控制技术.........72-81[/br/ ] 5.1紫坪铺隧道底鼓控制方案.........72-74 [/BR/] 5.2底鼓控制方案评估.........74-75 [/BR/] 5.3底鼓控制方案的优化.........75-79
5.4本章摘要.........79-81

结论

根据汶川地震前后工程区7个地应力测量点的测量结果和有限元数值模拟，
穆文分析了汶川地震前后工程区地应力的分布特征。在此基础上，分析了汶川地震后地震区地应力场的变化特征，研究了地震前后地震区地应力场的演化规律。通过现场调研、理论分析、数值模拟等手段，探讨了隧道底鼓的基木特性，分析了影响隧道底鼓的主要因素和底鼓的发展过程，并在分析底鼓成因、形式、发展过程和数值模拟的基础上，提出了更合理的底鼓控制技术。通过以上工作，主要获得以下研究成果:
(1)总结以往汶川地震震源机制解的研究成果，得出龙门山地区区域主压应力轴的主导方向是NWW方向。汶川地震前，采用水力压裂法获得不同浅层的应力大小，采用应力释放法获得工程区地表附近的地应力数据。结果表明，工程区应力水平较高，应力状态属于走滑型。地震后，分别对龙门山中央断裂带上、下两个板块进行了应力释放法地应力测试。试验结果表明，震后工程区应力释放不完全，断裂带上壁应力水平仍处于较高水平，而断裂带下壁应力水平处于较低水平。
(2)通过对工程区地震前后地应力场的反演分析，得到了工程区地应力场的分布特征。地震前最大主应力大多在20 ~ 70兆帕之间，部分埋地段最大主应力为110兆帕，中间主应力在5 ~ 25兆帕之间，最小主应力在8 ~ 20兆帕之间。地震后，最大主应力大多在l0mpa至70mpa之间，局部深埋段最大主应力为95MPa，中间主应力在5MPa至20 MPa之间，最小主应力在5 MPa至20 MPa之间。在此基础上，总结了地震前后工程区地应力场的演化规律:地震后，龙门山中央断裂带下盘地应力大大释放，其应力值处于较低应力状态。龙门山中央断裂带上壁在地震前有一个高地应力背景。地震后，高地应力的大小略有减小，该地区仍属于高地应力范围。在主应力方向上，最大主应力方向从东北向北北偏移，最大主应力方向变化不大。
(3)根据前人总结的底鼓成因，结合紫坪铺隧道的实际工程情况，以隧道底鼓段岩体为研究对象，通过现场调查分析，得出隧道底鼓的主要成因为:地应力、围岩强度极低、水力效应影响、震后处理措施支撑强度弱。根据紫坪铺隧道的地质条件，得出紫坪铺隧道底鼓的破坏模式为挤压流型。在分析紫坪铺隧道底鼓成因和形式的基础上，提出紫坪铺隧道底鼓的发展过程如下:隧道开挖后，浅部底板将受到一定程度的破坏——由于水的作用，底板围岩的破坏范围将继续增大——底板围岩将在集中应力的作用下向隧道空移动。
(4)利用FLAC3D软件建立三维模型模拟底鼓变形，计算地震前后支护方案下隧道底鼓，分析隧道围岩塑性区范围、隧道周围位移和应力分布。在位移方面，地震后，隧道侧壁和拱脚围岩向下倾斜移动，最终填充到底板中，导致仰拱围岩向上移动，底部隆起趋势较地面S前有所增加；从应力方面来看，应力在S后有所释放，楼板的应力状态没有得到改善。就塑性区而言，硫之后出现大范围的塑性区，剪切破坏严重。因此，需要采取进一步措施来控制底鼓。
(5)在对隧道底鼓成因进行深入分析和数值模拟的基础上，介绍了隧道底鼓的控制技术。提出了控制隧道底鼓的四种方案，包括底板注浆加固、底板锚注支护、仰拱支护和仰拱+底板锚注支护。通过数值模拟进一步讨论了支撑效应。综合考虑，紫坪铺隧道底鼓控制采用地锚注浆支护。

参考
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