【摘 要】
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富水隧道围岩渗流特性取决于岩体的裂隙网络,由于开挖卸荷下应力的重分布将导致裂隙闭合、开展、萌生或发育,引起渗流场产生改变,渗流场的变化又反作用于裂隙网络,两者呈现相互作用、相互影响的耦合态势。因此只有多角度深入认识此过程的开挖卸荷渗流机理,才能有效预防隧道围岩在开挖卸荷过程中因地下水渗流而引发的突水突泥等地质灾害。基于此,本文以海南某引水隧道工程为背景,以理论研究、数值模拟及监测验证等方法研究隧道
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富水隧道围岩渗流特性取决于岩体的裂隙网络,由于开挖卸荷下应力的重分布将导致裂隙闭合、开展、萌生或发育,引起渗流场产生改变,渗流场的变化又反作用于裂隙网络,两者呈现相互作用、相互影响的耦合态势。因此只有多角度深入认识此过程的开挖卸荷渗流机理,才能有效预防隧道围岩在开挖卸荷过程中因地下水渗流而引发的突水突泥等地质灾害。基于此,本文以海南某引水隧道工程为背景,以理论研究、数值模拟及监测验证等方法研究隧道围岩开挖卸荷下的渗流特性并提出合理且适用的综合处治技术。主要研究内容及结论如下:(1)总结了富水裂隙岩体在试验条件下或基于裂隙法向变形推导的渗透系数、渗流量计算公式,指出不同渗流量计算公式其本质是各类参数的变化。基于卸荷岩体力学与Bandis双曲线模型给出了单裂隙岩体卸荷拉、压应力作用下渗流-应力耦合渗透系数、渗流量计算公式并结合海南某引水隧道工程,分析了卸荷应力路径下渗透系数、渗流量变化规律及裂隙作用机理,研究表明随岩体卸荷量增加,渗透系数及渗流量成指数形曲线增长,裂隙水压力、卸荷量将不同程度影响渗透系数变化。渗透系数变化与岩体卸荷五阶段对应,当卸荷导致岩体进入塑性变形阶段时,裂隙变形受卸荷应力增量变化敏感性较强,渗透系数开始大幅增长,岩体渗透性增强。(2)从不同地下水位高度、不同开挖步距、不同上覆土层厚度三个角度并以渗透系数变化模拟开挖卸荷过程建立数值模型,通过控制变量分析,研究了隧道在开挖卸荷过程中孔隙水压力、节点渗流量、水力梯度、渗流速度、围岩变形等变化规律。研究表明,地下水位越高、开挖循环步距越大、隧道上覆土层厚度越大渗流运动参数在隧道3倍洞径范围左右变化越剧烈,且在隧道拱顶、拱脚等关键节点易形成渗水点,掌子面后将形成高压富水区,此时开挖隧道掌子面需设置合适防突安全厚度以处理掌子面背后高压水。(3)选取施工现场具有相同或类似水文地质条件开挖段隧道监控量测数据与数值模拟结果对比,分析围岩竖向及水平位移规律,佐证数值模型的可靠性与仿真性,结果表明,隧道围岩开挖卸荷渗流变形受不同因素影响较大。(4)基于理论及数值模拟研究开挖卸荷渗流特性成果,以现有注浆堵水技术为基础,提出探明掌子面前方地下水状态、超前探孔验证、掌子面防突安全厚度确定、掌子面布设泄压孔及泄压孔管阀引流、地表注浆及地表回填、超前全断面帷幕注浆一系列综合手段用以处治富水段围岩开挖渗涌水问题。
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