研究生学位论文--碎屑流地层隧道掌子面变形破坏模式及安全距离分析

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1、国内图书分类号：[45]密级：保密国际图书分类号：624西南交通大学研究生学位论文碎屑流地层隧道掌子面变形破坏模式及安全距离分析年级二零一二级姓名张光锦申请学位级别工学硕士专业桥梁与隧道工程指导老师张志强教授二零一五年五月ClassifiedIndex:U.D.C:SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisSTUDYONFAILUREMODELOFTUNNELFACEANDCRITICALSAFEDISTANCETOTUNNELFACEINDEBRISFLOWSTRATAG

2、rade:2012Candidate:ZHANGGuangjinAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:BridgeandTunnelEngineeringSupervisor:Prof.ZHANGZhiqiangMay,2015西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有

3、关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密R，在年解密后适用本授权书；2．不保密□，使用本授权书。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导老师签名：日期：日期：西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献）声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：（1）基于颗粒离散元理论，进行了大量数值模型试验，得到了三维环境中的颗粒细观参数和材料宏观力学特性之间的关系，为碎屑流地层的细观表征奠定基础；（2）在对国内外相关研究成果分析的基础上，建立三维流-固耦合数值模型对碎屑流

4、地层隧道掌子面的破坏模式及其影响因素进行了分析；（3）模拟隧道开挖施工力学行为，对不同情况下隔水层的“临界安全距离”进行了研究，为现场施工工法的设计提供理论依据。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名：日期：西南交通大学硕士研究生学位论文第V页摘要本文以国家自然科学基金“

5、碎屑流地层隧道掌子面灾变行为及围岩稳定性控制研究”为依托，结合穿越碎屑流断层带的祁连山越岭段隧道工程，在文献调研和分析国内外研究成果的基础上，运用颗粒离散元法及计算程序PFC对碎屑流地层宏细观参数进行了研究，建立了多孔介质流-固耦合模型对碎屑流地层隧道掌子面变形破坏模式和隔水层临界安全距离进行了分析。本文的主要研究内容如下：（1）基于颗粒离散元方法的基本原理，运用数值模拟的手段进行大量三轴试验，对离散介质宏细观参数的响应变化进行分析；并对各级围岩参数进行标定，为地层模型的建立奠定基础。（2）基于计算流体力学理论、采用中尺

6、度流场网格的方法建立三维固-液耦合模型来模拟饱水碎屑流地层，在此基础上研究隧道掌子面的破坏模式及影响因素。研究结果表明：饱水碎屑流地层隧道掌子面破坏有明显的阶段性，典型的破坏模式分为“孕育”和“发生”两个阶段。影响碎屑流地层掌子面破坏的因素主要有水头高度、颗粒级配、粘结强度等。在不同影响因素下，掌子面出现稳定、坍塌破坏、涌出破坏等现象。（3）模拟隧道在隔水层中开挖的施工力学行为，在施工过程中隧道掌子面可能处于的状态有稳定、暂时稳定、不稳定。在不同水头高度作用和围岩条件下当隔水层厚度减小到某个值时，隔水层由原来的稳定状态转

7、化为不稳定状态，此时称掌子面到碎屑流断层的距离为临界安全距离。隔水层的不稳定状态又分为局部流土破坏、坍塌破坏、冲切破坏等模式。关键词：碎屑流；颗粒离散元；隧道；固液耦合；掌子面破坏模式；西南交通大学硕士研究生学位论文第V页ABSTRACTThisthesisreliesontheNationalNaturalScienceFoundation‘StudyoncatastrophebehaviorofworkingfaceandstabilitycontrolofNATMtunnelindebrisflowstrata’a

8、ndcombinewithQiLianShandebrisflowstratatunnelproject.Onthebasisofdocumentsurveysandtheoreticalresearch,therelationshipbetweenmechanicalperformancesandmicroscop