摘要
随着国家经济建设的发展，基础设施建设逐渐向西南地区推进，我国先后在金沙江、雅砻江、大渡河、怒江、红水河、黄河上游等地建起了多座水利水电工程，丰富水力资源给西南地区水电事业的发展带来机遇的同时也给工程施工带来了挑战。西南地区碳酸盐岩地层广泛分布，水系交错，地下构造复杂，常有溶洞发育，当隧道开挖从溶洞周边穿越时，经常受到突水突泥危害，严重威胁工程安全。因此，深入研究隧道与溶洞间安全距离，建立准确的隧道与溶洞间安全距离预测模型和突水风险等级评价模型有重大的工程实际意义。 本文以滇中引水工程香炉山隧道为工程背景，通过理论分析研究了地下洞室围岩应力情况，采用数值模拟方法先对影响因子进行定性分析，然后设计正交试验分别对溶洞处于隧道上方、下方、侧方的情况进行定量分析，采用多元回归方法分别建立三种情况下的隧道与溶洞安全距离预测模型并通过工程验证，最后提出了基于TOPSIS法的输水隧道与隐伏溶洞围岩风险等级评价方法。主要研究内容及结论如下： （1）基于弹塑性力学对圆形洞室围岩应力进行了分析；将隧道与下伏溶洞间岩层简化为固支梁模型，运用强度理论对其进行受力分析，整理推导出当溶洞位于隧道下方时隧道失稳的临界距离；总结了隧道与溶洞间岩层失稳的发生机理以及围岩失稳判据，提出本文所采用的隧道与溶洞间安全距离判据。 （2）研究了隐伏溶洞影响下隧道施工的模拟方法和要点，筛选出影响隧道与溶洞安全距离的重要因素，利用ABAQUS软件建立了溶洞位于隧道下方的二维数值模型，对围岩水平、溶洞跨度、隧道埋深、溶洞水压以及溶洞位置等因素的影响作了定性分析。 （3）根据工程地质资料确定影响因素取值范围，设计正交试验组合进行数值模拟计算，得到溶洞位于隧道上部、下部、侧部三种情况共75种工况下的隧道与溶洞间临界安全距离结果，分析了其对不同影响因素的敏感性，并采用多元回归分析分别建立了三种情况下的隧道与溶洞安全距离预测模型。结果显示，各影响因素对输水隧道与溶洞间安全距离的影响的显著程度略有不同，按照从高到低排序为：围岩水平、溶洞跨度或溶洞水压、隧道埋深、隧道水压；三种工况下，隧道水压极差均不超过围岩水平极差的10%，说明针对围岩水平对安全距离具有较大影响作用，隧道水压对安全距离的影响比较微弱；选取典型溶洞区段样本得到隧道与溶洞预测安全距离与设计距离基本吻合，说明该预测预测模型在工程应用中是可靠的。 （4）充分考虑数值模拟成果与工程实际情况，引入溶洞水压、安全系数、溶洞位置等因素丰富了评价指标，基于TOPSIS法建立了岩溶隧道突涌水风险等级评价模型并成功应用于香炉山隧道。结果表明，该模型在对多个洞段突涌水风险预测中都表现出不错的准确性和实用性，可以为岩溶地区输水隧道的设计与施工提供合理的参考。
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