薄层岩体隧道近接开挖围岩稳定性分析毕业论文
2020-03-29 12:52:05
摘 要
乌东德水电站位于云南禄劝县和四川会东县交界的金沙江下游河道上，它是“西电东送” 的骨干电源点。乌东德水电站施工采取河床一次性拦阻全年围住堤堰的方式来导流，在其两岸共开挖了5 条导流洞，其中左岸布置1#、2#导流隧洞，右岸开挖3#、4#、5#导流隧洞，3、4 号导流隧洞在该研究洞段的断面尺寸为27.2 m × 19.9 m(高×宽) ，5 号导流隧洞在该洞段的开挖断面尺寸为18.6m × 14.8 m(高×宽)。根据地质资料，其空间结构关系为：5#导流隧洞先后在6-2隧洞及进场交通洞底部穿过，顶拱最薄理论距离约为2.53m，考虑到隧洞开挖超挖、爆破振动等影响，在5#导流隧洞上层开挖时，顶部及容易出现塌顶、露天，无法满足正常交通要求。
根据乌东德水电站右岸导流隧洞的工程地质条件、开挖方案、以及支护方式，采用FLAC3D软件对导流隧洞近接开挖进行数值模拟研究，从围岩的应力、应变及塑性区等方面定量的对隧道近接开挖围岩的稳定性分析。本文主要完成了以下工作：
（1）确定本文研究工程区的地质条件，包括地形地貌、地层岩性、地质构造、地应力场的特征。对层状岩体隧道开挖围岩破坏模式和围岩的失稳因素进行了理论分析。并且对隧道围岩质量进行评价，为论文的计算结果分析做好铺垫。
（2）对3#，4#, 5#导流隧洞的隧道开挖采用FLAC3D软件进行了数值模拟，进行了初始地应力的计算、支护系统的模拟、对开挖结束后围岩的位移、应力、塑性区计算结果分析；印证计算结果是否与现场洞室开挖出现的破坏形式相同，从而确定数值模拟计算的正确性。
（3）对3#、4#、5#导流隧洞与进场交通洞及6-2#隧洞五洞隧道开挖近接进行了构建网格模型，然后进行数值模拟计算，根据开挖隧道对已有隧道的围岩影响形成的位移、应力、塑性区一系列云图，利用这些计算结果跟现场出现的破坏形式对比分析，对近接部分围岩的稳定性进行分析，最后采取一定的措施建议保证隧道施工顺利完成。
基于以上分析，对以后类似工程地质条件的隧道近接开挖的安全施工提供参考。
关键词：乌东德水电站；隧道近接开挖；数值模拟；三洞交叉；围岩稳定性分析
Abstract
The Wudongde hydropower station is located on the lower reaches of the Jinsha River at the junction of Luquan County in Yunnan Province and Huidong County in Sichuan Province. It is the backbone power source for the “West-to-East Electricity Transmission”. The construction of Wudongde hydropower station took a one-way riverbed to block the dike throughout the year to induce diversion. Five diversion tunnels were excavated on both sides of the river, including 1# and 2# diversion tunnels on the left bank and 3 on the right bank. The diversion tunnel #4, #5, and #5, the diversion tunnels #3 and #4 in the study section are 27.2 m × 19.9 m (height × width), and the diversion tunnel No. 5 is excavated in this section. The section size is 18.6 m × 14.8 m (height × width). When the right bank diversion tunnel was excavated, the three-dimensional intersection of the 5# diversion tunnel with the approach traffic tunnel and the 6-2 tunnel had been basically excavated. According to geological data, the spatial structure relationship is that: 5# diversion tunnel passes through the bottom of 6-2 tunnel and access tunnel at the bottom, and the theoretical thinnest distance of the top arch is about 2.5m, taking into account the excavation and explosion of tunnel excavation. With vibration and other influences, when excavating in the upper layer of diversion tunnel No. 5, the top part is prone to collapse and open air, which cannot meet normal traffic requirements. The space intersection length is 84m and the station number is 1 563~1 647.
（1）According to the engineering geological conditions, excavation scheme, and support methods of the diversion tunnel at the right bank of Wudongde Hydropower Station, FLAC3D software was used to conduct numerical simulations of the near excavation of the diversion tunnel from the stress, strain, and plastic zone of the surrounding rock. Quantitative analysis of the stability of tunnel surrounding rock excavation. This article mainly completed the following work:
(2) The tunnel excavation of 3#, 4#, and 5# diversion tunnels was numerically simulated using FLAC3D software. The calculation of initial ground stress, simulation of support system, and displacement of surrounding rock after excavation were carried out. Analysis of the calculation results of the stress, plasticity, and plasticity areas; confirming whether the calculated results are the same as the destruction forms of the excavation on the site, thus confirming the correctness of the numerical simulation calculation.
(3) A grid model was constructed for the proximity tunnels of 3#, 4#, 5# diversion tunnel, approach tunnel, and 6-2 tunnel tunnel, and then numerical simulation calculations were performed based on the excavation tunnel. The surrounding rock of the existing tunnel has affected the displacement, stress, and a series of cloud maps in the plastic zone. Using these calculation results and the on-site monitoring results, the stability of the adjacent surrounding rock was analyzed. Finally, certain measures were taken to ensure the tunnel construction. Done successfully.
Based on the above analysis, it will provide reference for the safe construction of tunnels with similar geological conditions.
Key words: Wudongde Hydropower Station; tunnel near excavation; numerical simulation; three-hole intersection; stability analysis of surrounding rock
目录
第1章 绪 论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 隧道近接施工的工程实践 1
1.2.2 研究成果 2
1.3 研究内容 3
1.4 技术路线 5
1.5 本章小结 6
第2章 工程区的地质条件 7
2.1 地形地貌 7
2.2 地层岩性 7
2.3 地质构造 8
2.4 地应力场的特征 10
2.5 本章小结 13
第3章 隧道近接开挖围岩工程地质分析 14
3.1 隧道围岩的破坏模式和破坏机制 14
3.1.1 隧道围岩的破坏模式及过程 14
3.1.2 围岩变形破坏机制 16
3.2 隧道围岩稳定性影响因素 17
3.2.1 岩性 17
3.2.2岩体结构 18
3.3 隧道围岩稳定性评价 19
3.3.1地质判断 19
3.3.2 围岩分级 20
3.4本章小结 22
第4章 数值模拟计算结果与现场破坏的相互验证 23
4.1 计算理论与基础的概述 23
4.1.1有限差分基本思想 23
4.1.2有限元基本思想 23
4.2 FLAC3D软件介绍 24
4.2.1 FLAC3D软件简介 24
4.2.2 FLAC3D的求解流程 25
4.3 数值模拟计算方案介绍 25
4.3.1岩体力学参数 27
4.3.2 隧洞开挖支护参数 28
4.4 构建网格模型过程 28
4.5数值模型计算的限定条件 29
4.5.1 基本假设 29
4.5.2 边界条件 30
4.6初始应力场的分析 30
4.7 现场围岩破坏分析 32
4.7.1 围岩最大变形区域分析 32
4.7.2 围岩应力集中区域分析 35
4.7.3 围岩松弛区域分析 38
4.7.4 围岩潜在破坏区域分析 41
4.8 本章小结 44
第5章 交叉隧道近接开挖围岩稳定性分析 45
5.1 计算方案 45
5.2 数值模拟计算结果分析 46
5.3 建议措施 49
5.4 本章小结 50
第6章 结论与展望 51
6.1 结论 51
6.2 展望 51
参考文献 52
致谢 54
第1章 绪 论
1.1 研究背景及意义
随着地下空间工程伴随着经济的持续快速发展，我国除了在基础建设方面取得了飞速的发展外，在铁路、隧道、公路、桥梁等工程方面也取得了较大成就，特别是隧道工程进入了高速发展的新时期。国家在对路网的建设和规划中使许多许多隧道近接平行或近接交叉，随着越来越多隧道近接开挖的工程出现，在面对复杂地形、地质条件以及隧道走向问题等因素时，造成的隧道围岩稳定性问题愈发严重，近接施工也更加困难。
近接隧道的安全稳定性是设计与施工所面临的问题，比如全国各大城市地铁隧道近接施工、公路隧道和地铁隧道的近接施工、大型水电站导流隧洞和引水隧洞之间的近接施工等。截止目前, 国家批准已批准的有20多座城市的地铁将进入筹资建设与施工，所以从21 世纪初到2050年将是我国大规模建设地铁及其他需要地下工程的时间段,与此同时，也会有大量的岩土、结构工程技术问题涌现。这些问题可能会带来严重的经济损失，出现安全性问题还可能产生严重的社会舆论，所以对隧道近接施工可能产生的危害采取相应的预防措施尤为重要。
我国隧道近接开挖滞后于世界上的发达国家，特别是在近接交叉隧道方面，它的施工要考虑到近接距离，超前开挖以及爆破振动的不同相互影响造成的复杂变化。目前的隧道近接开挖的过程都不同程度上出现了塌方、岩爆、渗水等问题，存在较大的施工风险，因此应对隧道近接开挖要进行围岩的应力和应变进行计算分析，进行对近接开挖围岩稳定性进行深入研究。
本文选题依托于乌东德水电站右岸3#、4#、5#导流隧洞、进场交通洞、6-2#导流隧洞的工程地质基本概况和相互的空间位置，围绕隧道近接开挖近接部分围岩的稳定性展开研究。首先，从隧道的破坏模式和破坏机制出发，以现场的地质勘查数据为基础，采用理论分析和数值模拟计算结果分析相结合对隧道近接开挖时有无支护的围岩稳定性的分析，以及隧道近接开挖过程中的导致的围岩的应力、位移以及塑性区的变化。这对具有类似的工程地质条件的隧道开挖的设计与施工提供了重要参照，有利于节省施工成本并且保障施工安全。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 隧道近接施工的工程实践
目前，在国内外有很多已经在建和建好的隧道近接工程。国内北京地铁、上海地铁等都出现了近接隧道施工的工程，南京地铁二号线与向南延深右线隧道上下交叉，间距只为2.325m，比隧道近接施工要求的最小值2.5m还小。国外，如日本章泉铁路从324国道公路隧道下部交叉穿过，日本很多铁路线的建成都是近接交叉形式，比如Tozai地铁线和Keishin线交叉形式类似四孔麻花型 ，此外还有前苏联双洞双层形式，新加坡高速公路中的盾构隧道穿越海底硬粘土和回填土的四圆孔平行重叠隧道形式等。
1.2.2 研究成果
自改革开放以来，我们的国家在交通、地下工程、市政、水利水电等领域的建设取得了较大的突破和成就，其中铁路、公路隧道以及城市地铁在近十年来取得了几乎是空前绝后的发展，但是在安全性方面也出现了很多失败的案例，所以要极大的提高设计和施工技术水平。
国内学者目前已经对非近接隧道施工进行了深入研究，对单孔及双孔平行的近接隧道研究成果也比较多，但在近接交叉隧道围岩的应力和位移的变化以及稳定性的研究相对较少。廖红建教授经过长时间研究，主编的《岩土工程数值分析》（2005）以及其他研究人员在数值分析方法对岩土、采矿工程问题的计算处理做出的非常之大的贡献。
我国的隧道近接工程起步较晚，对隧道近接交叉的研究主要是以平行隧道的研究成果作为参照，对两条及以上隧道施工是否为近接隧道施工没有明确的区分标准，日本在1997年公布的《既有铁路隧道近接施工指南》，对既有铁路隧道和及其近接的隧道在隧道间隔、新建隧道与已有隧道的位置关系、以及近接度的划分做出的比较系统的区分。
表1.1隧道近接平行的近接度划分
隧道位置关系 隧道间隔 近接度的划分 | ||
新建隧道比既有隧道位置高 新建隧道比既有隧道位置低 | lt;1D 1-2.5D gt;2.5D lt;1.5D 1.5-2.5D gt;2.5D | 限制范围 要注意范围 无影响范围 限制范围 要注意范围 无影响范围 |
当隧道间距为小于0.5D时，近接施工对既有隧道极大的可能造成塌方、碎裂等结构上的破坏，施工过程须谨慎处理。表1.1是对既有隧道和新建隧道左右平行时进行区分，即在水平方向引45°上下斜线的范围内。在这个范围之外的近接隧道的近接度划分应按隧道交叉的情况进行。
表1.2隧道近接交叉的近接度的划分
隧道位置关系 隧道间隔 近接度的划分 | ||
新建隧道比既有隧道位置高 新建隧道比既有隧道位置低 | lt;1.5D 1.5-3.0D gt;3.0D lt;2.0D 2.0-3.5D gt;3.5D | 限制范围 要注意范围 无影响范围 限制范围 要注意范围 无影响范围 |
注：D为新建隧道的直径
不过以上对近接度的划分仅限于既有隧道的各种近接施工，只是实际中近接工程的一部分。在工程中可能出现近接度的突变，在规定范围内进行影响程度的预测、施工方案的优化等还需进一步研究。
表1.3近接施工影响范围划分
划分依据 措施 影响范围 | ||
不考虑相互影响 一般情况不会产生有害影响，但影响存在 以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。 相关图片展示：
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