富水断层破碎带对浅埋隧洞围岩稳定性影响分析及施工措施研究

作     者：王福斌 

作者单位：黑龙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于奎

授予年度：2024年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：浅埋隧洞 裂隙渗流 破碎带参数 施工措施 

摘      要：本文以哈尔滨市通河县岔林河引水隧洞为工程背景,采用COMSOL Multiphysics数值分析软件,结合岩体渗流理论和流固耦合理论,对浅埋隧洞开挖穿越富水断层破碎带全过程进行了数值计算,研究了破碎带裂隙渗流对浅埋隧洞围岩稳定性的影响。同时,通过文献类比、工程案例分析和数学统计的方法确定了富水断层破碎带参数范围,并设计6因素3水平正交试验,结合方差分析法探讨了富水断层破碎带参数对浅埋隧洞围岩变形的影响。此外,文章基于数值模拟结果,对岔林河引水隧洞冒顶问题发生的原因进行了分析,并给出了针对性的施工措施。具体研究结果如下: (1)模拟浅埋隧洞富水断层破碎带段施工,在开挖推进距离相同的条件下,考虑流固耦合作用的围岩第一主应力增幅大,且应力集中特征更明显,应力场受裂隙渗流场的影响显著;隧洞拱顶发生沉降位移,拱底出现隆起变形,通过数值分析,两种工况条件下隧洞拱顶沉降值和拱底隆起值均随开挖推进距离的增加而扩大,考虑流固耦合作用的隧洞与不考虑相比,拱顶沉降量增大30.5%,拱底隆起值增大19.1%;破碎带裂隙渗流会引发孔隙水压力的变化,改变围岩的有效应力,降低土体强度,促使岩体软化变形,进而影响隧洞围岩的整体稳定性。 (2)模拟浅埋隧洞开挖穿越富水断层破碎带,得出了对拱顶围岩第一主应力和竖向位移的显著性排序为正常围岩等级富水断层破碎带的泊松比富水断层破碎带的弹性模量。 (3)对富水断层破碎带参数进行单一因素多水平分析,得出重度大小对监测断面拱顶围岩第一主应力和竖向位移均没有明显的影响;随着弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角等参数的不断扩大,监测断面拱顶围岩第一主应力和竖向位移均有所降低,其中弹性模量对拱顶围岩第一主应力和竖向位移产生影响的主要区间为200MPa～1100MPa;富水断层破碎带泊松比越大,在增长等量数值的情况下对应的围岩第一主应力变化量越小,拱顶围岩竖向位移变化幅度越小;富水断层破碎带黏聚力对拱顶围岩第一主应力和竖向位移产生影响的主要区间为0.01MPa～0.1MPa;富水断层破碎带内摩擦角对拱顶围岩第一主应力和竖向位移产生影响的主要区间为5°～20°。 (4)裂隙渗流、破碎带岩性差、加固方案不合理是岔林河引水隧洞工程发生冒顶事故的主要原因;浅埋隧洞开挖穿越富水断层破碎带段,建议采用CRD法进行施工;在富水断层破碎带内施工的浅埋隧洞围岩建议采用超前小导管注浆和钢拱架联合加固;采用物探和超前地质钻探技术相结合的地质探测方法可以提前识别富水断层破碎带,以便及时采取有效的工程措施,保证隧洞等地下工程的安全施工和运营。