（岩土工程专业论文）岩溶隧道与溶洞的安全距离研究.pdf

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开心地完成硕士论文。 最后感谢哺育我成长的父母，这么多年默默地支持我、鼓励我，为我创造一 个温馨和睦的家，让我专心读书完成学业。在此祝他们身体健康、平安幸福，即 将走向工作岗位的我一定会用我的方式回报他们多年的爱。 北京交通人学硕十学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：宜万铁路隧道修建在极复杂的岩溶地质中，施工过程遭遇大量的隧道围岩 塌方以及突水突泥灾害，给人民生命财产带来巨大损失。要在避免灾难发生的同 时综合考虑施工成本及难度，合理确定隧道与溶洞的安全距离是关键。本论文以 宜万铁路隧道为工程背景，针对岩溶地区隧道与溶洞的安全距离问题做了以下几 个方面的研究： ( 1 ) 通过总结国内外研究现状，并对岩石力学基本理论进行分析，筛选出影 响隧道与溶洞安全距离的几个较重要的因素。并通过f l a c 3 d 数值模拟对溶洞跨 度、高跨比以及岩体侧压力系数的影响作了定性分析。 ( 2 ) 研究了隧道与周围隐伏干溶洞的安全距离。通过f l a c 3 d 数值模拟，采 用正交设计方案分别针对溶洞位于隧道上方、下方和侧面三种位置时隧道与溶洞 安全距离进行正交试验，得到围岩级别、岩体侧压力系数、溶洞跨度、溶洞高跨 比和隧道埋深五个影响因素对安全距离的影响程度和影响规律，采用多元回归方 法给出隧道与周围隐伏干溶洞的安全距离的数学预测模型。 ( 3 ) 研究了泄水支洞( 隧道) 与掌子面前方高压富水溶洞的安全距离。分析 了围岩级别、岩体结构面强度、结构面倾角、岩体侧压力系数、溶洞直径、溶洞 埋深和溶腔水压七个影响因子对安全距离的影响程度和影响规律，并给出泄水支 洞( 隧道) 与掌子面前方高压富水溶洞安全距离的数学预测模型。 ( 4 ) 通过u d e c 数值模拟，研究了考虑岩溶水沿着岩体结构面的渗流时水压 力对于安全距离的影响规律。 ( 5 ) 将本论文得到的预测模型用于宜万铁路岩溶隧道实际工程，证实了本文 结论具有较高的可靠性，对于今后类似工程中安全距离的确定具有指导意义。 关键词：隧道；溶洞；安全距离；水压力；f l a c 3 d ；u d e c 分类号： 1 t 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：y i w a nr a i l w a yt u n n e l sa r ec o n s t r u c t e di ne x t r e m e l yc o m p l e xk a r s t r e g i o n s ，t h e r e f o r eal a r g en u m b e ro fd i s a s t e r ss u c ha sr o c kc o l l a p s ea n dw a t e rb u r s t i n g h a v eo c c u r r e dd u r i n gc o n s t r u c t i n g t oa v o i dd i s a s t e r s ，w h i l et a k et h ec o n s t r u c t i o nc o s t s a n dd i f f i c u l t i e si n t oa c c o u n t ，d e t e r m i n i n gar e a s o n a b l ed i s t a n c eb e t w e e nt u n n e la n d k a n tc a v ei so fg r e a ti m p o r t a n t t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h em e t h o d so fd e t e r m i n i n gt h e d i s t a n c eb e t w e e nt u n n e la n dk a r s tc a v e s ，w h i c hm a i n l yc o n t a i n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) s e v e r a lr e l a t i v e l yi m p o r t a n tf a c t o r sa r ec h o s e na f t e rs u m m a r i z i n ge x t e n s i v e l i t e r a t u r ea n da n a l y z i n gb a s i ct h e o r i e so fr o c km e c h a n i c s t h ei n f l u e n c eo fw i d t ho f c a v e s ，r a t i oo fh i g h n e s st ow i d t ho fc a v e sa n dl a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n to f r o c km a s si s q u a l i t a t i v e l ya n a l y z e dt h r o u g hn u m e r i c a la n a l y s i su s i n gf l a c 3 dr e s p e c t i v e l y ( 2 ) s a f ed i s t a n c eb e t w e e nt u n n e l sa n dh i d d e nd r yc a v e sa r o u n di sr e s e a r c h e d t h i s p a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so nt h r e es i t u a t i o n so ft h ek a r s tc a v e s ：c a v e sl y i n ga b o v et u n n e l ， u n d e rt u n n e la n do ns i d eo ft u n n e l w i t hf l a c 3 ds o f t w a r e ，t h r o u g ht h eo r t h o g o n a l d e s i g nm e t h o d ，t h ei m p o r t a n c ea n di n f l u e n c el a wo ff i v ef a c t o r s ，w h i c hc o n t a i n s s u r r o u n d i n gr o c kl e v e l s ，l a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n to fr o c km a s s ，w i d t ho fc a v e s ，r a t i o o fh i g h n e s st ow i d t ho fc a v e sa n dt u n n e ld e p t h ，a r ed i s c u s s e dd e t a i l e d l y t h e nt h r e e f o r e c a s t i n gm o d e l so ft h es a f ed i s t a n c eb e t w e e nt u n n e la n dh i d d e nd r yk a r s tc a v e s a r o u n da r eg i v e nt h r o u g ht h em u l t i p l er e g r e s s i o nm e t h o d ( 3 ) s a f ed i s t a n c e b e t w e e nt h ed r a i n a g eh o l e s ( t u n n e l s ) a n dk a r s tc a v e sw i t hh i g h w a t e rp r e s s u r ei nf r o n ti sa l s or e s e a r c h e d m e t h o df o rr e s e a r c h i n gi st h es a m ea sa b o v e , w h i l et h ei n f l u e n c ef a c t o r sc o n t a i n ss e v e ni t e m s ：s u r r o u n d i n gr o c kl e v e l s ，s t r e n g t ho f j o i n t s ，d i r e c t i o no fj o i n t s ，l a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n to fr o c km a s s ，d i a m e t e ro fk a r s t c a v e s ，d e p t ho fc a v e sa n dw a t e rp r e s s u r e t w of o r e c a s t i n gm o d e l so ft h es a f ed i s t a n c e b e t w e e nd r a i n a g eh o l e s ( t u n n e l s ) a n dk a r s tc a v e sw i t hh i g hw a t e rp r e s s u r ei nf r o n ta r e o b t a i n e d ( 4 ) i n f l u e n c eo fw a t e rp r e s s u r ei sa n a l y z e db yu d e cs o f t w a r ew h e nc o n s i d e r i n g p e r m e a b i l i t yo fw a t e r ( 5 ) b ya p p l y i n gt h ef o r e c a s t i n gm o d e l st ot h er e a lp r o j e c t so f y i - w a nr a i l w a yt u n n e l s ， t h er e l i a b i l i t yo ft h er e s u l t si sp r o v e n ，w h i c hc a l lp r o v i d es o m eg u i d a n c et oc h o o s et h e s a f ed i s t a n c eb e t w e e nt u n n e la n dc a v e si ns i m i l a rp r o j e c t s k e y w o r d s ：t u n n e l ；k a r s tc a v e ；s a f ed i s t a n c e ；w a t e rp r e s s u r e ；f l a c 3 d ；u d e c v n 1 目录 目录 中文摘要v a b s t r a c t v i i 1 绪论1 1 1选题背景1 1 2论文研究的意义3 1 3研究现状3 1 3 1 岩溶隧道灾害发生机理的研究现状4 1 3 2 岩溶隧道稳定性的定性研究现状4 1 3 3 岩溶隧道与溶洞安全距离的半定量及定量研究现状5 1 3 4 岩溶隧道与溶洞安全距离研究中存在的问题6 1 4研究内容及技术路线7 1 4 1 论文研究内容7 1 4 2 论文技术路线8 2安全距离影响因素分析9 2 1 隧道与溶洞间安全距离影响因素研究现状9 2 2基于岩石力学围岩应力基本理论的影响因素分析1 0 2 2 1 单一圆形孔洞周围围岩应力的线弹性分析1 1 2 2 2 单一圆形孔洞周围围岩应力的弹塑性分析1 2 2 2 3 单一椭圆形孔洞周边围岩应力线弹性分析1 3 2 2 4 两个相邻孔洞相互影响下的围岩应力分析1 4 2 3基于f l a c 数值模拟的影响因素定性分析1 4 2 3 1f l a c 3 d 简介1 5 2 3 2 溶洞跨度的影响1 6 2 - 3 3 溶洞高跨比的影响2 3 2 3 4 侧压力系数的影响3 0 2 4本章小结3 7 3隧道与周围隐伏溶洞安全距离的数值模拟分析3 9 3 1隧道与溶洞安全距离的力学判据3 9 3 2隧道与上方隐伏溶洞安全距离的数值模拟分析4 0 3 2 1 计算模型4 0 北京交通大学硕士学位论文 4 5 3 2 2 影响因子和试验方案选择4 1 3 2 3 正交试验结果分析4 3 3 2 4 隧道与上方溶洞临界安全距离预测模型的建立4 8 3 3隧道与其下方隐伏溶洞临界安全距离的数值模拟分析5 0 3 3 1 计算模型。5 0 3 3 2 影响因子和试验方案选择5 1 3 3 3 正交试验结果分析5 2 3 3 4 隧道与下方溶洞临界安全距离预测模型的建立5 4 3 4 隧道与其侧方隐伏溶洞临界安全距离的数值模拟分析5 6 3 4 1 计算模型。5 6 。3 4 2 影响因子和试验方案选择5 6 3 4 - 3 正交试验结果分析5 7 3 4 4 隧道与侧方溶洞临界安全距离预测模型的建立6 0 3 5本章小结。6 2 泄水洞( 隧道) 与掌子面前方溶洞安全距离的数值模拟分析6 5 4 1 泄水洞与其掌子面前方溶洞安全距离的数值模拟分析6 5 4 1 1 计算模型6 5 4 1 2 影响因子和试验方案选择。6 7 4 1 3 正交试验结果分析6 9 4 1 4 泄水洞与掌子面前方溶洞安全距离预测模型的建立7 3 4 2隧道与其掌子面前方溶洞安全距离的数值模拟分析7 5 4 2 1 计算模型7 5 4 2 2 影响因子和试验方案选择7 6 4 2 3 正交试验结果分析7 7 4 2 4 隧道与掌子面前方溶洞安全距离预测模型的建立8 0 4 3本章小结8 l 溶洞内水压力对隧道与溶洞间安全距离的影响分析8 3 5 1岩溶隧道突水突泥灾害的发生机理8 3 5 2水压对隧道与溶洞围岩稳定性的影响研究现状8 5 5 3 u d e c 简介8 7 5 4 基于u d e c 数值软件的计算结果分析8 7 5 4 1 计算模型8 7 5 4 2 试验方案及结果8 9 5 4 3 计算结果分析9 l 目录 5 5本章小结9 4 6安全距离实例分析9 7 6 1隧道与周围隐伏溶洞安全距离计算实例9 7 6 1 1d k 2 0 5 + 0 9 0 - 1 0 2 区段9 7 6 1 2d l q 0 5 + 1 3 0 1 3 8 区段9 8 6 1 3d k 2 0 5 + 1 6 0 1 7 0 区段9 8 6 1 4d k 2 0 5 + 1 9 0 - 2 0 0 区段9 9 6 1 5 计算结果分析1 0 0 6 2泄水支洞与掌子面前方溶洞安全距离计算实例一1 0 1 6 2 1 云雾山隧道“5 2 6 、6 1 7 溶腔”一1 0 1 6 2 2 野三关隧道“6 0 2 溶腔”1 0 2 6 2 3 大支坪隧道“9 9 0 溶腔10 3 6 2 4 马鹿箐隧道“9 7 8 溶腔 1 0 3 6 2 5 计算结果分析1 0 4 7总结与展望一1 0 5 7 1总结1 0 5 7 2展望10 6 参考文献10 7 i f j 。录a 11 1 附录b 1 12 附录c l l3 附录d 1 1 4 附录e 1 15 作者简历1 1 7 独创性声明1 19 学位论文数据集1 2 1 l 绪论 1 绪论 1 1 选题背景 地球上约有1 5 的地形是喀斯特岩溶地貌，我国是世界上岩溶分布面积最广 的国家之一【8 】。我国境内岩溶分布纵深横广，北方以山西为中心、西南以贵州为中 心，形成两片面积瞩目的岩溶高原。除此之外，北纬3 。南海礁岛到北纬4 8 。的 小兴安岭地区；由东经7 4 。的帕米尔高原到东经1 2 2 。的台湾岛；由青海盐湖到 东部海滨，均分布着岩溶地貌。我国境内可溶岩分布面积可达3 4 0 0 0 0 0 k m 2 ，约占 我国国土面积的l 3 。其中，裸露于地表的碳酸盐岩面积为9 1 0 0 0 0k m 2 ，接近我国 国土面积的1 1 0 。我国境内碳酸盐岩分布图见图1 1 。 中国碳酸盐岩类型分布图 鸯备。 9 0 009 0 01 嘲i 饼咐t n 图1 1 中国碳酸盐岩类型分布图 如此广阔的岩溶面积，严重影响着我国交通基础设施的建设和发展。岩溶不 良地质条件给隧道的施工和运营造成了严重的威胁【8 】。据统计，截止1 9 8 9 年底， 我国已建成长大隧道( 长度大于3 k m ) 6 3 座，其中，隧道洞身穿过岩溶地层的有 2 6 座。这2 6 座长大隧道的修建过程中几乎都不同程度地遭遇了地下岩溶水的危害， 其中发生过较大规模岩溶突水灾害的隧道有1 0 座。在西南、中南地区1 7 座长大 岩溶隧道中，有近5 0 的隧道在施工和运营过程中发生过较大规模的岩溶突涌水 菪 孝 云 豢 溶 白 灰岩可岩 与赌毙灰型溶界型岩窘云幂纯藏可审 类灰灰白次不理非墨 北京交通大学硕士学位论文 灾害。在我国岩溶地区修建隧道工程，施工和运营过程中的突水、突泥已成为最 严重的工程灾害之一。 宜万铁路东起宜昌，西至万州，是我国铁路路网“八纵八横 主骨架之一， 是沪一汉一蓉快速通道的重要组成部分，是连接我国东中部地区的重要交通纽带。 铁路全长约3 8 6 k m ，共有隧道约1 2 7 座，隧道总长约2 0 0 k i n ，占线路总长的5 2 ， 全线约7 0 的隧道位于灰岩地区，岩溶十分发育。长大隧道基本上均为岩溶隧道， 岩溶、岩溶水发育，可能造成突水、突泥等地质灾害。部分隧道位于岩溶水的垂 直循环带和水平带内，岩溶构造十分复杂，补给水源丰富，给设计和施工带来极 大的困难。宜万铁路全线地质条件非常复杂，岩溶极其发育，岩溶突水突泥风险 巨大，其规模、数量及工程处理难度为国内外罕见。宜万铁路多次遭遇的突水突 泥灾害夺走了奋战在一线的多名工作人员的生命，并且造成了巨大的经济损失， 令人心痛。同时，多次突水突泥也对宜万铁路的正常施工造成影响。 图l - 2 宜万铁路线路平面图 八字岭隧道、野三关隧道、大支坪隧道、云雾山隧道、马簏箐隧道、金子山 隧道、齐岳山隧道和别岩槽隧道被称为宜万铁路线的八座一级风险隧道，其所穿 越的岩层中发育有大小不同、形态各异的各种溶洞。按照溶洞的形态大小不同， 可将溶洞分为洞穴型、裂隙型、管道型和大型溶洞；按照溶洞的充填特征不同， 可将溶洞分为充填型溶洞、半充填型溶洞和无充填型溶洞( 又称“干溶洞”) ； 其中充填型和半充填型溶洞又可分为充填粘土型、充填淤泥型、充填粉细砂型、 充填块石土型和充水型溶洞。发生突水、突泥灾害一般是有充填型、半充填型溶 洞引起；干溶洞虽然不会引发突水突泥灾害，但是当隧道穿越其影响范围时，常 会引起隧道结构的失稳变形。 一般认为，隧道结构的失稳垮塌，以及岩溶突水突泥的发生机理，都是因为 随着隧道与溶洞之间隔离岩柱厚度的减小，使得隧道与溶洞间围岩的相对位移增 大，导致破坏范围逐渐扩大，直至隔离岩柱的临界厚度被击穿。因此，要保证隧 2 绪论 道结构的稳定，以及防止突水突泥灾害的发生，需要对隧道与溶洞间的安全距离 进行研究。本论文依托宜万铁路隧道为工程背景，着重对岩溶地区隧道与溶洞之 间的临界安全距离进行分析研究。 1 2 论文研究的意义 合理确定隧道与溶洞之间的安全距离是事关隧道稳定、施工运营安全的最主 要的问题，两者间的距离在一定程度上决定了隧道长度及埋深，两者距离越小， 隧道避绕溶洞的距离就越小，隧道越短，工程造价就越低，但是溶洞失稳坍塌的 危险性也越大。岩溶地段隧道与溶洞的安全距离既是安全问题，又是二个重要的 经济要素。因此，研究合理确定隧道与溶洞安全距离的方法具有十分重要的现实 意义。 宜万铁路指挥部紧紧围绕八座一级风险隧道的施工安全开展工作，特别针对 云雾山隧道、马鹿箐隧道、野三关隧道、大支坪隧道四座一级风险隧道，提出了 “释能降压法 的新工法。选择在旱季爆开溶腔，释放溶腔内储存的能量，把溶 腔内储存的泥、水有计划地进行释放、排泄，以消除突泥、突水的高风险，然后 进行清淤、开挖、支护，并尽早闭合成环、在旱季完成二次衬砌。针对此项施工 技术，需要对泄水支洞掌子面前方的保护岩塞厚度进行确定。若泄水支洞掌子面 前方预留岩塞厚度过小，则会发生掌子面前方的突水涌泥，施工过程的危险性很 大；若泄水支洞掌子面前方预留岩塞厚度过大，那么现有爆破技术可能难以将前 方岩塞完全炸开，这样留下厚度较小的岩塞，施工的危险性更大。因此，要保证 “释能降压法”的成功实施，还需要对泄水支洞与掌子面前方溶洞之间的安全距 离进行合理确定。 1 3 研究现状 目前对于岩溶地区隧道与溶洞之间安全距离的研究，主要的研究方法有定性 分析、半定量分析和定量计算。 定性分析主要是针对隧道、溶洞围岩的应力场、位移场以及塑性区进行分析 研究，给出溶洞对隧道围岩稳定的影响，综合岩溶地质中影响隧道与溶洞之间岩 柱稳定性的主要影响因素，分析其安全厚度【l 州3 1 。 半定量分析主要是将工程经验与理论计算分析相结合，得到一些能够指导实 际施工的结论。具体有岩层厚跨比法、结构力学近似法( 按梁板抗弯估算厚度、 按梁板抗剪估算厚度、荷载传递线交汇法) 、散体理论分析法( 洞穴顶板坍塌堵塞 3 北京交通大学硕十学位论文 估算法和按破裂拱概念估算) 、试验测试法等【2 9 】【3 4 1 。 定量计算一般先由假定条件建立相应的物理力学模型、数学模型或相似试验 模型，再进行分析计算，依据结果对隧道与溶洞之间岩柱的稳定性做出评价，得 到安全距离。用于定量计算的方法主要有稳定系数法、数值分析法和相似模型试 验法等。 上述三种方法中，定性和半定量分析的研究较多，而对于安全距离的定量计 算方法的研究较少。在实际工程中，对于隧道与溶洞之间的安全距离的确定仍主 要基于工程经验，并给予较大的安全储备。 下面分别概述针对该课题的具体研究现状。 1 3 1 岩溶隧道灾害发生机理的研究现状 目前对于岩溶隧道灾害发生机理的研究主要集中在研究干溶洞作用下围岩的 塌陷以及高压富水溶洞导致的隧道突水突泥灾害问题。 任美锷 6 1 ( 1 9 8 3 ) 认为，岩溶对隧道工程的危害主要表现为隧道突然涌水；隧 道遇地下洞穴时的悬空；隧道顶部溶洞充填物的塌陷以及隧道基地洞穴项板塌陷 等问题。王鹰，陈强等【_ 7 】( 2 0 0 4 ) 结合渝怀铁路圆梁山隧道涌水实例，运用地球化 学和断裂力学的有关理论分析岩溶区深埋隧道的水岩相互作用机理，探讨水岩相 互作用对岩溶地区隧道施工发生涌水、突泥的影响。刘招伟【8 1 ( 2 0 0 7 ) 对圆梁山隧 道施工中遇到的岩溶突水灾害的规律和特点以及突水事故的预报和控制技术进行 了系统研究，初步揭示了圆梁山隧道岩溶突水机理，即溶洞受充填物介质及水压 影响发生破坏的范围与隧道周围塑性区的连通是发生岩溶突水的直接原因。宋战 平【9 】分析了大尺寸溶洞的失稳机理，将大尺度隐伏溶洞影响时隧道项板、底板的失 稳简化为梁板的垮塌问题。 1 3 2 岩溶隧道稳定性的定性研究现状 针对溶洞对隧道围岩安全、稳定性的定性研究目前大多以数值模拟为手段。 邹成杰【l o 】( 1 9 9 4 ) 以鲁布革水电站为依托工程，采用二维弹性分析法探讨了 隐伏岩溶洞径d 、溶洞与隧道间距l 、隐伏溶洞的位置对隧洞变形的影响。分析认 为，近水平向溶洞对隧道周边位移的影响最为不利。这是国内最早采用有限元法 分析隐伏溶洞对地下洞室围岩稳定性的工程实例。赵明阶等( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 以朝 东岩隧道为背景，利用a n s y s 程序分析了全断面开挖隧道的岩溶围岩变形特性【l l 】 ( 三维弹塑性分析) 、隧道侧方岩溶分布对围岩稳定性的影响【1 2 】( 平面弹塑性分 4 绪论 析) 、隧道底部溶洞对围岩变形特性的影响【1 3 】( 平面弹塑性分析) 、隧道顶部岩溶 对围岩稳定性的影响f 1 4 】( 平面弹塑性分析) 和岩溶尺寸对隧道围岩稳定性影响【b 】 ( 三维弹塑性分析) 。吴梦军，许锡宾等【1 6 】【l 刀( 2 0 0 4 ) 利用“公路隧道结构与围岩 综合试验系统( c t s s s i m ) 和有限元分析程序对岩溶地区公路隧道施工力学响应 进行了一系列的大型相似模型试验和数值模拟研究，探讨了溶洞发育程度和位置 对围岩施工力学响应的影响，总结了岩溶地区公路隧道围岩位移场、塑性区等的 一些分布规律。史世雍、梅世龙【1 8 1 ( 2 0 0 5 ) 等采用数值方法分析了不同尺度顶部溶洞 对夏家庙隧道围岩位移和应力的影响。莫阳春，周晓军【1 9 1 ( 2 0 0 8 ) 结合达成高速 铁路宝石岩隧道施工过程，利用有限差分软件f l a c 3 d 对隧道侧部含有溶洞的围岩 变形特性进行了数值模拟研究，分析了隧道侧部不同大小、不同距离的溶洞分布 对隧道围岩变形的影响。宋战平，党宏斌等【2 0 】( 2 0 0 8 ) 结合山岭隧道新奥法施工 现状，首次提出了隧道位移空间效应的“先期位移 、“开挖瞬时释放位移”、“前 期位移和“后期位移 的概念。宋战平【9 】采用数值试验方法，系统分析了不同位 置、规模的隐伏溶洞对圆形、城门洞型隧道围岩应力、位移和支护结构内力的影 响。黎代仁惭】( 2 0 0 9 ) 结合宜万铁路大支坪隧道施工过程，利用f l a c 3 d 软件对侧 部水压充填型岩溶隧道施工过程中的围岩变形特征进行了数值模拟研究，结果表 明，隧道开挖后靠近溶洞的隧道右侧向内水平位移，远大于远离溶洞的隧道左侧 的水平位移，是最有可能发生围岩突水失稳的区域。 1 3 3 岩溶隧道与溶洞安全距离的半定量及定量研究现状 孙萍，彭建兵掣2 l 】( 2 0 0 6 ) 结合黄土地区的土质特点，考虑了节理对黄土暗 穴的影响，采用结构力学等方法，提出了一些确定顶板临界厚度的方法，并进行 了对比讨论。臧守杰【2 2 】( 2 0 0 7 ) 采用荷载传递线的概念，提出了岩溶隧道底板最 小安全厚度的半定量评价方法；采用弹性理论建立了在按抗拉和抗剪强度准则基 础上的岩溶隧道底板岩层的最小安全厚度的理论公式。刘招伟【s 】( 2 0 0 7 ) 等以隧道 工程为核心，将各类岩溶对隧道工程的安全威胁抽象为岩溶水压力荷载，根据水 压力作用在隧道工程的不同部位情况，进行板柱型突水、拱梁型突水和岩梁型突 水三种突水类型的力学分析。牟春树2 3 】( 2 0 0 2 ) 以桂林市新解放桥桥基为例，分 析了桂林市新解放桥桥基岩体溶洞项板稳定性的影响因素，采用结构力学分析方 法，研究了各影响因素对溶洞顶板稳定性的影响及变化规律，得出各墩台溶洞顶 板在岩土自重及外荷载作用下的稳定情况。曹武安【2 4 】( 2 0 0 5 ) 研究分析岩溶的大 小、远近和分布位置的不同，对隧道围岩稳定性的影响程度，分析不同情况下隧 道围岩可能韵破坏形式；同时给出安全系数，对稳定性进行半定量的研究。刘之 5 优化理论确定岩溶及采空区岩层顶板安全厚度的方法。黎斌等【3 0 】( 2 0 0 5 ) 用三维 有限单元法对桩基础下的溶洞顶板进行应力分析计算，并采用多元线性回归的方 法求得桩底到溶洞顶部距离临界值与溶洞大小和单桩设计荷载之间的关系式，然 后用工程实例验证了所求得的关系式的可靠性。周科平，苏家红等【3 l 】( 2 0 0 5 ) 以 广西大厂铜坑矿9 2 号矿体的回采为例，在分析评价传统方法的基础上，采用数值 模拟方法对采场顶板的破坏机制进行模拟，分析研究顶板安全厚度与各影响因素 之间的关系；采用具有高度非线性、自学习、动态处理、联想记忆、容错性等特 征的人工神经网络，在数值模拟的基础上，建立安全顶板厚度非线性神经网络预 测模型。王勇【3 2 l ( 2 0 0 6 ) 从施工安全角度出发，针对溶洞位于隧道正下方、正侧 方和正上方时的三种特殊情况，充分考虑各主要影响因素及其联合作用，分别基于 多元回归分析和支持向量机获得了两种隧道与溶洞安全距离预测模型。曹文贵， 程晔等【3 3 】( 2 0 0 5 ) 利用数值流形方法具有两套分析网格即数学覆盖网格和物理覆 盖网格，因而处理开挖模拟问题具有灵活性的特点，重点解决了数值流形分析的 开挖模拟分析方法问题；然后引入强度折减技术，结合数值流形方法提出了公路 路基岩溶项板稳定性评价方法。在此基础上，引进枚举化分析法，通过分析岩溶 顶板稳定性与岩溶埋深和溶洞几何形态等因素的关系，建立了预测公路路基岩溶 顶板安全厚度的新方法。 1 - 3 4 岩溶隧道与溶洞安全距离研究中存在的问题 6 绪论 通过上述研究现状的综述，对目前国内外关于岩溶隧道与溶洞安全距离的研 究做如下总结： 定性分析大多以某具体工程为背景，以数值模拟或相似模型试验为手段， 针对溶洞位置、溶洞跨度、围岩条件等不同情况对隧道与溶洞围岩的应力场、位 移场、破坏区等进行定性的对比分析，得出一些规律性结论。 半定量计算大都将隧道与溶洞间的岩柱简化为结构力学模型，利用梁、板、 柱等的抗拉、抗剪、抗弯理论计算得到岩柱的临界安全厚度。 定量计算大都采用有限元或有限差分数值模拟，将数值模型试验数据进行 多元回归，得到预测临界距离的计算模型。 通过定性分析可以得到临界距离与各影响因素之间的规律性的结论，从而为 半定量计算和定量计算提供理论依据，并且可以检验计算结果，然而定性分析本 身并不能指导工程实践；半定量计算将复杂的围岩应力应变条件简化为简单的力 学模型，使用方便，可以为实际工程施工提供参考依据，但是简单的力学分析往 往不能反映岩柱渐进破坏的变化过程，不能反映出岩溶突水过程中围岩应力场、 变形场、破坏场和渗流场的相互耦合作用过程，也不能揭示出围岩垮塌或者岩溶 突水灾变的关键部位；基于数值模拟的定量计算作为半定量计算的补充和完善， 可以弥补上述缺陷。然而，现有的数值模拟计算尚存在很多亟待改善的问题。比 如，现有的数值模拟计算大多假定岩溶地层为连续均质材料，按照连续介质力学 方法进行计算与分析，而不考虑岩体的结构特征以及层理、节理裂隙等不连续面。 实际上，大部分岩溶地层中的石灰岩都具有明显层理构造特征，而且往往还存在 一组与层理近乎正交的节理，属于层状结构或块状结构岩体。凡是发生严重突水、 突泥地质灾害的隧道，大部分都处于褶皱、断层等构造带附近。因此针对溶洞隧 道安全距离的计算不能忽视岩体中各种节理的影响。另外，现已给出的预测模型 中的影响因素大多不够完善，并且大多没有考虑两个或两个以上影响因素的交互 作用影响。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 论文研究内容 本文研究内容如下： ( 1 ) 研究隧道与周围隐伏干溶洞的安全距离，分析各影响因子对安全距离的 影响程度及影响规律，得到隧道与周围隐伏溶洞安全距离的预测模型。 ( 2 ) 研究泄水支洞( 隧道) 与掌子面前方高压富水溶洞的安全距离，分析各 7 北京交通人学硕士学位论文 影响因对安全距离的影响程度及影响规律，得到泄水支洞( 隧道) 与掌子面前方 溶洞安全距离的预测模型。 ( 3 ) 考虑溶腔中的岩溶水在岩体结构面内的渗流作用，分析岩溶水对隧道与 溶洞安全距离的影响规律。 ( 4 ) 将本文所得的预测模型用于宜万铁路隧道实际工程，验证本文结论的合 理性和可信性。 1 4 2 论文技术路线 针对上述研究目标，拟定以下研究路线： 1 ( 1 ) 进行广泛的文献调研。总结归纳现有的评价岩溶地区隧道安全稳定性 的理论( 包括岩柱垮塌和突水突泥的机理) ，收集整理现有的安全距离随各影响因 素的变化规律( 定性分析) 以及确定安全距离的各种不同方法( 半定量计算、定 量计算等计算公式) ，并结合岩石力学基本理论分析，筛选出影响隧道与溶洞安全 距离的较重要的影响因素。 ( 2 ) 以宜万铁路隧道为工程背景，合理确定上述筛选出的各影响因素的取值 范围，并针对每个影响因子在其取值范围内均匀选取几个不同的水平，选择适当 的正交表进行正交试验方案设计。 ( 3 ) 分别针对溶洞位于隧道上方、下方与侧面三种位置，以及溶洞位于泄水 支洞和隧道掌子面前方两种情况建立厚度为l m 的f l a c 3 d 模型，模拟隧道施工过 程，按照上一步拟定的正交试验方案进行正交试验，得到每一种试验方案下的安 全距离。隧道周围隐伏溶洞为干溶洞，掌子面前方溶洞为高压富水溶洞。 ( 4 ) 对每组正交试验结果进行直观分析，可以得到各影响因子对安全距离的 影响程度及影响规律；再对试验结果进行方差分析，可以进一步确定哪些影响因 素重要不可忽略、哪些影响因素不重要可以忽略。采用多元回归方法建立隧道与 溶洞安全距离的预测模型。 ( 5 ) 上述在研究掌子面前方高压富水溶洞时没有考虑岩溶水与岩体结构面的 流固耦合作用，为了进一步探讨水压力对于安全距离的影响，考虑岩溶水沿着岩 体节理的渗流，采用离散元数值软件u d e c 对于水压力进行单变量变化的研究。 ( 6 ) 将本文得到的预测模型用于宜万铁路隧道实际工程进行检验。验证预测 模型的合理性与可靠性，为今后类似工程中隧道与溶洞安全距离的确定提供理论 依据与参考。 8 安全距离影响冈素分析 2 安全距离影响因素分析 岩溶洞穴实质上是一种自然水动力开挖的隧道。其溶腔形态变化多端，地质 条件复杂多样，给隧道与溶洞间的安全距离影响因素分析带来了很大的困难。针 对岩溶洞穴影响下的隧道围岩的应力应变场规律，现有的岩石力学理论很难给出 精确的解析解答。目l ； 对于隧道与溶洞的安全距离影响因素的分析多停留在针对 某一具体工程的定性或定量分析，研究手段一般为数值模拟或模型试验。另外还 有一些简化的结构力学计算方法。本章先对现有的关于安全距离影响因素的分析 结论进行简要概述，再根据单一孔洞围岩的理论解析结论对两个孔洞之间的安全 距离的影响因素做出预判断，最后选取一些数值模拟结果进行分析比较，将所得 结论作为下一章数值模拟计算中选择影响因子的依据。 2 1 隧道与溶洞间安全距离影响因素研究现状 目前针对岩溶地区隧道与溶洞安全距离的影响因素研究大多从溶洞导致的围 岩应力、位移的变化来展开。分析围岩的应力场和位移场主要有三种手段：1 、理 论分析；2 、模型试验；3 、数值模拟。现有的岩石力学理论还不能针对不规则形 状的洞室，特别是相互影响的两个洞室周边的围岩给出精确的解析解答。模型试 验由于费用高，周期长，因此其应用和推广受到限制。相比之下，数值模拟具有 成本低、时间短、重复性高、灵活性强等优点，在岩溶隧道稳定性分析的研究中 得到了广泛应用。具体研究方法大多是针对不同位置、不同形状、尺寸的溶洞建 立数值模型，通过一定的试验方案来获得隧道围岩不同位置的应力、位移的变化， 得到一些定性的结论。 蒋颖【3 6 】定量研究不同分布部位的溶洞对隧道围岩位移场、应力场、塑性区分 布规律，确定了对隧道稳定性最不利的溶洞是位于隧道侧部的溶洞。赵明阶等【l l 】 运用相似模型试验和数值分析两种手段研究了隧道周边不同的溶洞分布对围岩变 形特性的影响。结果表明，隧道顶部溶洞主要引起隧道围岩径向位移的增大，隧 道侧面溶洞主要引起隧道的整体侧向位移，使隧道处于偏压状态，隧道底部溶洞 对隧道顶部和侧壁径向位移的影响较小。另外，在开挖临近溶洞的开挖断面时， 释放位移随溶洞尺寸的加大而增加，但当开挖断面到达溶洞时，围岩瞬时释放位 移随溶洞的增大而减小。刘之葵等【3 7 】利用弹性理论推导了岩石地基中溶洞周围的 应力状态，利用格里菲斯强度理论对含溶洞岩石地基的稳定性进行了定量的计算 判别。研究发现溶洞直径( 跨度) 越小，对稳定性越有利；椭圆形溶洞的竖直轴 9 北京交通大学硕+ 学位论文 与水平轴之比越小，对稳定越不利；地下水产生的“真空吸蚀作用 对溶洞稳定 性影响很小；洞内有充填物时，有利于溶洞的稳定等。赵明阶等【l3 】运用二维弹塑 性分析研究了隧道底部不同大小、不同距离的溶洞分布对隧道围岩周边变形的影 响。研究发现，隧道底部溶洞使得隧道底部开挖释放位移增大，使得隧道侧面的 水平位移增大并且使得隧道侧墙墙脚的应力值增大，上述增大的程度均随着溶洞 尺寸的增大而增加。史世雍等【l8 】运用a n s