层状砂岩隧洞围岩的稳定性研究

论文摘要

近年来,隧洞、地下厂房等地下洞室工程在我国得到了迅猛发展。众多的地下工程建设要遇到越来越复杂的地质条件,研究复杂地质环境下的岩体力学性质,分析围岩稳定性,确保建设施工及工程运行安全以及节省工程投资等,是我们目前面临的重要任务。论文以在建的向家坝水电站进厂交通洞为工程背景,分析研究了层状砂岩中的隧洞围岩稳定性问题。研究部位岩体为层状砂岩,含有软弱夹层,其显著特点是该砂岩的岩组中含有薄煤层,与层理、节理裂隙等的组合易形成不稳定块体,对工程安全造成危害。文章从地质因素及施工因素(爆破开挖)等方面出发,分析了局部洞室拱肩部位垮塌的原因;采用离散元软件UDEC对进厂交通洞室围岩稳定性进行研究,从位移、应力分布等角度说明隧洞围岩整体上是稳定的,不会造成大的破坏,而局部块体的垮塌是由于结构面和软弱岩体的存在,在施工开挖的爆破作用影响下,部分岩体因应力变化、爆破震动而失稳,模拟计算了失稳块体洞段的岩体稳定性;数值计算结果与实际监测结果吻合较好,模拟的垮塌范围与实际情况一致;论文分别研究了不加支护以及在不同支护(包括喷混凝土、锚杆支护)条件下的围岩稳定性情况,说明采取不同的支护与加固措施对围岩稳定性具有不同的效果;论文研究了洞室围岩的监测设计方法,从监测角度说明了洞室围岩的稳定情况。研究结果表明,对于含软弱夹层、节理裂隙发育的岩体,采用基于不连续理论的离散元法是目前分析不连续介质材料力学性质的理想工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 隧洞围岩稳定研究现状
• 1.2.1 解析法
• 1.2.2 数值分析方法
• 1.2.3 工程地质类比方法
• 1.2.4 模型试验方法
• 1.2.5 不确定性方法
• 1.3 存在的不足和需进一步做的工作
• 1.4 问题的提出
• 1.5 本文的主要内容
• 第二章 向家坝水电站进厂交通洞概况
• 2.1 工程概述
• 2.2 进厂交通洞基本地质条件
• 2.2.1 地形地貌
• 2.2.2 地层岩性
• 3xj）'>2.2.2.1 三迭系上统须家河组（T₃xj）
• 4）'>2.2.2.2 第四系松散堆积物（Q₄）
• 2.2.3 地质构造
• 2.2.4 围岩类别
• 2.2.5 水文地质特性
• 3³岩组的煤层分布特点'>2.2.6 T₃³岩组的煤层分布特点
• 2.3 影响围岩稳定的因素分析
• 2.3.1 影响进厂交通洞围岩稳定的因素
• 2.3.2 围岩失稳工程实例
• 2.4 小结
• 第三章 离散单元法分析理论
• 3.1 离散元数值模拟方法
• 3.1.1 离散元单元法
• 3.1.2 离散元程序UDEC
• 3.2 离散元基本理论
• 3.2.1 块体的表示
• 3.2.2 块体的运动方程
• 3.2.3 块体的接触问题
• 3.2.3.1 接触类型
• 3.2.3.2 接触的检查与识别
• 3.2.3.3 节理的本构模型
• 3.3 离散元加固与支护理论
• 3.3.1 加固（reinforcement）
• 3.3.1.1 节理的局部加固（Local reinforcement at joints）
• 3.3.1.2 整体加固（Global Reinforcement）
• 3.3.2 表面支护（surface support）
• 3.4 小结
• 第四章 层状砂岩中隧洞围岩稳定性的离散元模拟
• 4.1 计算模型的建立
• 4.2 典型断面数值分析
• 4.2.1 模型初始平衡
• 4.2.2 开挖不进行支护时的数值分析
• 4.2.3 开挖后进行喷混凝土支护的数值分析
• 4.2.4 开挖后进行喷混凝土与锚杆支护的数值分析
• 4.3 计算值与监测结果的对比分析
• 4.4 小结
• 第五章 层状砂岩中隧洞围岩的变形破坏分析
• 5.1 岩体的变形破坏类型与破坏机制
• 5.2 进厂交通洞垮塌段的数值模拟
• 5.2.1 建模
• 5.2.2 计算分析
• 5.3 层状砂岩中隧洞围岩变形破坏的数值分析
• 5.3.1 计算方法
• 5.3.2 结果分析
• 5.4 小结
• 第六章 围岩安全监测设计及资料分析
• 6.1 洞室围岩的安全监测概述
• 6.2 进厂交通洞围岩安全监测设计
• 6.2.1 监测项目的确定
• 6.2.2 观测断面和测点设计
• 6.2.3 观测仪器的选择
• 6.3 进厂交通洞围岩安全监测成果分析
• 6.3.1 围岩变形监测
• 6.3.2 锚杆应力监测
• 6.3.3 围岩渗压监测
• 6.3.4 围岩收敛监测
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果