基于强度理论的隐伏溶洞与隧道安全距离预测模型研究

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隧道通过岩溶区域时会遇到各式各样的隐伏溶洞,溶洞的位置,跨度,形状,是否含有填充物对隧道的施工和运营会造成重大的影响。溶洞与隧道之间的距离多大时才不会对隧道的施工和运营产生影响,是隧道在通过岩溶区域时的设计和施工时亟待解决的问题之一。文章以桑植隧道为研究背景,采用大型有限元软件ADINA建立隧道与溶洞在不同影响因素下的有限元模型,基于强度理论,分析相关因素对隧道到溶洞之间的安全距离的影响规律,以塑性区是否贯通的评价方法来确定隧道到溶洞之间的安全距离。以二维有限元模型分析了溶洞在隧道顶部、右侧面、底部时影响安全距离的8个主要因素(岩体的内摩擦角、泊松比、粘聚力、重度、弹性模量、溶洞跨度、隧道埋深、溶洞的高跨比),结果显示隧道的埋深,溶洞的跨度,高跨比以及岩体的粘聚力对安全距离的影响最大,岩体的内摩擦角,泊松比,以及重度对安全距离的影响次之,岩体的弹性模量对隧道安全距离影响最小。基于二维模型的分析结果,建立溶洞在隧道正右侧的三维有限元模型,重点分析溶洞的形态以及走向对隧道围岩稳定性的影响。结果显示隧道的埋深对安全距离的影响最大,溶洞的跨度次之,溶洞的高跨比以及走向对安全距离的影响较大。针对数值分析结果,运用线性回归方法对影响溶洞与隧道岩体安全距离的影响因子进行了多元线性回归分析,分别建立溶洞位于马蹄形隧道底部,侧部和顶部位置时的安全距离预测模型。建立的安全距离预测模型可为岩溶地区隧道施工提供溶洞分布重点关注区域,为隧道施工、运营过程中隧道围岩稳定性判断提供参考,对溶洞处置提供建议,有利于提升隧道施工,运营的经济性、安全性。
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