采空区多灾耦合作用下的隧道稳定性分析

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采空区塌陷、滑坡均为典型的地质灾害问题,由此带来的损失非常巨大,因此对采空区塌陷、滑坡问题的研究也是岩土工程领域重点课题。苏州阳山矿区目前已经发生地面塌陷和地裂缝,并造成附近山体多处滑坡。拟建隧道工程将从两个采空区之间通过并穿过阳山,而这些采空区导致的地面塌陷、地裂缝、滑坡等地质灾害必将对隧道工程产生影响,因此苏州阳山隧道工程建设条件非常复杂。本文以该工程为背景,研究采空区、滑坡、地裂缝、地面塌陷等因素对隧道工程的影响,对隧道及附近山体边坡进行稳定性评价。显然这一研究对拟建隧道工程设计和施工具有重要的指导作用和理论意义。隧道和边坡稳定性评价的前提是通过正确的方法获取岩体的物理力学参数,目前常用的方法有现场试验法以及经验估算法,其中现场试验操作复杂,耗时费力,而且现场试验得出的数据也无法避免尺寸效应,最终选取的力学参数也不一定准确。经验估算法无需现场的大型试验,主要靠一些岩体质量评价体系来进行参数估算,但必须要在查清岩体结构类型、控制岩体稳定性优势面并具有一定数量的岩体基本强度参数的基础上进行,如岩块的单轴抗压强度、抗剪强度等。工程地质优势面分析和岩石强度试验方法是工程稳定性评价的基础,因此本文在现场工程地质调查及控稳优势面分析的基础上,重点研究岩石强度试验方法。试图寻求一种能在现场方便进行的岩石强度测试方法,为此自行研制了岩石强度测试仪,该测试仪可方便快捷的对控制工程稳定性的软弱岩块的单轴抗压强度、抗拉强度、粘聚力进行测试。然后结合岩体稳定性优势面分析和岩体质量评价体系进行物理力学参数的估算。最后对采空区塌陷、滑坡、隧道的稳定性进行了计算分析,论文主要取得以下研究成果和认识:(1)对苏州市拟建阳山隧道工程场区进行工程地质调查和岩体稳定性优势面分析,研究结果表明工程场区主要为压性断裂,致使岩体极其破碎,影响隧道工程有断层破碎带、岩脉带、滑坡、地面塌陷等。控制隧道及出入口边坡稳定性的优势面组合为岩体破碎带、岩脉带及NE向结构面。在对阳山岩体质量进行评价时,分析结果显示BQ与Q、RMR与Q成对数关系,BQ与RMR呈线性关系。用Hoek-Brown法计算了阳山岩体物理力学参数,便于在计算稳定性是选用。结构面抗剪强度对节理岩体抗剪强度的影响分析结果显示,法向应力越大,节理连通率对强度比的影响越小,随着连通率的增大,法向应力对强度比的影响逐渐减小。(2)分析总结了目前存在的岩石强度测试方法,指出了不足之处,对自行研制的岩石强度测试仪进行了试验,该仪器操作方便快捷,且性能稳定可以测定岩块的粘聚力、单轴抗压强度、抗拉强度,仪器总重约30Kg,可以进行现场测试。本文还进行了室内外的岩石单轴抗压强度、点荷载强度、回弹强度的试验,并通过回归分析建立了三者的数学关系,可以相互转换三种强度指标。对于岩石基本摩擦角的测定,本文提出量力环法,并与滑落法对比,平均误差仅为4.38%。(3)通过现场工程探勘和工程地质分析,北侧青山高岭土矿目前矿层已开采结束,处于停采状态,且距山体较远,地面塌陷已完成,继续出现灾害性塌陷及滑坡的可能性较低。南侧阳西高岭土矿采空区面积大,且深度浅,距阳山近,地表坡度较大,目前已经出现多个塌陷坑,且造成西侧山体发生滑坡,山体坡面多处开裂,同时该矿区仍在开采中,严重威胁山体稳定。因此,对阳西矿区应提高重视,加强对滑坡的监测,采用钻探、物探手段,进一步确定滑面位置。数值计算结果显示,阳西矿区在1#、2#、3#、4#采空区相继开采形成后就出现了数米的沉降,采空区上方的剪应变增量已经完全贯通,说明边坡已经滑动,这与实际情况是吻合的。(4)在有采空区的影响下,在隧道纵断面上,采空区滑坡对隧道的影响主要体现在水平位移上的放大作用,一般增加在10%左右。因此在隧道开挖时,当开挖至山体西侧坡脚时应加强监测。在隧道横断面上,隧道围岩变形明显受到滑坡的影响,在模型中X=1020m断面处,滑坡对隧道的影响较小,随着断面向西侧及靠近采空区一侧移动,滑坡对隧道的影响明显加剧,因此隧道开挖至X=1020m及以西地段时应提高重视,同时在断层破碎带及岩脉带处也需要足够重视。
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