摘要
近年来高速铁路建设的重点不断向中西部地区转移。中西部地区山川众多，隧道在修建过程中面临的地质条件日益复杂，不可避免的穿越富水段甚至是富水断层破碎带。受地下水流固耦合作用，施工中极易发生大变形、塌方、突泥涌水等安全事故。为确保富水山岭隧道的施工安全，论文结合建平隧道实际工程，采用理论推导和数值模拟手段，对流固耦合作用下山岭富水隧道的稳定性及加固措施进行了研究，主要研究内容及成果如下： （1）基于三维非线性GZZ屈服准则，推导考虑中间主应力的渗流作用下深埋圆隧围岩弹塑性解，利用Python编写有限差分计算程序，研究了中间主应力、渗透力、支护力大小对围岩应力场、位移场、塑性区的影响。计算结果表明，中间主应力有利于提高围岩稳定性，渗透力增大围岩稳定性下降，支护力能够有效控制围岩变形，但当渗透力较大时，围岩变形超过控制标准要求，需要施做超前支护。 （2）针对理论解析不足，采用FLAC3D完全流固耦合分析对三台阶临时仰拱法开挖进行了数值模拟，研究了不同初始水位对渗流场、位移场、塑性区、支护受力的影响规律，确定高水位下隧道薄弱位置。结果表明：拱脚位置地下水流速最快，该处初支外水压力最大，需加强防排水措施。隧道拱底对初始水位变化最敏感，初始水位较高时，拱底处围岩塑性区和变形增长幅度最大，最大拉应力出现在仰拱底部内侧，隧道易发生底鼓破坏。 （3）为保证富水隧道施工安全，通过数值模拟，研究了注浆圈渗透系数比和注浆圈厚度对渗流场、位移场、塑性区、支护受力的影响规律，确定了最优注浆参数。结果表明：注浆圈渗透系数比或注浆圈厚度的增大，都有助于提升注浆圈的止水加固效果，工程中最优注浆圈渗透系数比为50，最优注浆圈厚度为5m。 （4）通过数值模拟，研究了富水斜交断层破碎带对渗流场、位移场、塑性区、支护受力的影响规律，并结合实测数据对加固措施的效果进行了评价。结果表明：断层破碎带内隧道稳定性显著下降，受破碎带空间位置影响，破碎带内渗流场、位移场、塑性区、支护结构受力均表现出不对称性。仅施做初支时，隧道发生掌子面崩塌和底鼓破坏，采用超前帷幕注浆、超前小导管、砂浆锚杆结合的加固方案可以提高隧道穿越斜交断层破碎带时的安全性。
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