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《北京交通大学》 2012年 博士论文
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隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究

赵勇  
【摘要】:当前我国大规模的隧道建设中,软弱围岩隧道的设计与施工难题一直困扰着广大隧道建设者。软弱围岩隧道通常表现为围岩变形大,甚至发生坍塌等安全事故;施工进度缓慢,严重制约工程的工期。出现这些问题的主要原因是对隧道围岩特别是软弱围岩的变形机制、发展演化规律等认识不足,采取的控制技术与方法缺乏针对性等。针对这一系列问题,本论文对软弱围岩地质特征与工程影响评价、变形机制与时空效应、支护结构与围岩作用体系、隧道软弱围岩变形控制技术等进行了系统深入研究,取得了以下主要研究成果: (1)系统总结提出隧道工程软弱围岩的含义;分析了软弱围岩的地质特征、变形特征和强度特征;根据软弱围岩的力学特征,提出了铁路隧道软弱围岩的分级标准建议,将软弱围岩分为软岩I级、软岩II级和软岩III级共三个等级。 (2)隧道断面尺寸对围岩的变形机制和变形控制基准有较大影响,为方便研究软弱围岩隧道的变形控制对策,本文提出了铁路隧道断面等级和跨度分级建议,将隧道断面分为小断面、中断面、大断面和特大断面4级,将隧道跨度分为小跨度、中跨度、大跨度和特大跨度4级。 (3)分析提出了围岩变形的分布规律。围岩变形在空间上可分为三部分,即掌子面前方的超前变形、掌子面挤出变形和掌子面后方变形,这三部分变形是同时发生的。软弱围岩隧道变形量大、变形持续时间长、掌子面前、后方变形影响范围大、变形速度快是软弱围岩隧道变形的特点。 (4)基于隧道施工过程中应力释放与应力控制动态作用关系的研究,建立了由围岩、超前支护、初期支护和二次衬砌组成的软弱围岩隧道结构体系,并阐述了各个构件在该结构体系中的力学作用。支护结构分为超前支护、初期支护和二次衬砌,其中超前支护和初期支护与围岩体共同形成承载结构,二次衬砌仅作为安全储备,主要承担附加荷载和残余变形引起的荷载。 (5)建立了考虑围岩应力释放的隧道结构体系理论模型,并采用数值方法验证了其正确性,指出为避免或尽量减小出现过量围岩塑性变形,一方面要及时支,护,减小支护结构施做前的围岩应力释放;另一方面要使支护结构具有一定的刚度,尤其是早期刚度,以提供足够的支护抗力来抵制过量围岩塑性变形的发生。 (6)开挖方法和支护措施是围岩变形控制的两个方面,开挖使得围岩释放应力,支护则是控制应力释放的方法,支护结构和围岩的稳定是变形控制的目标。围岩变形控制原理就是根据围岩变形的时空分布规律,采取合理的开挖方法和支护措施,控制掌子面前方、掌子面、以及掌子面后方变形,使围岩变形控制在变形基准值以内,以保持围岩和隧道结构的长期稳定。 (7)软弱围岩变形预测分为施工前的变形预测和施工过程中的变形预测两个阶段。数值法和基于自身量测数据的统计分析法是比较接近实际又便于实施的变形预测法。研究提出了我国铁路隧道净空位移、拱顶下沉、掌子面前方超前变形、掌子面挤出变形、掌子面后方变形速度的管理基准建议。 (8)提出了软弱围岩变形控制的方法和支护结构设计原则。即采用超前支护,控制掌子面的超前变形和拱顶下沉;采用掌子面支护,控制掌子面挤出变形;加强初期支护,控制开挖掌子面后方变形;采用辅助支护措施,控制掌子面的稳定和初期支护的拱脚位移;采用二次衬砌,合理预留支护结构的安全储备,控制隧道建成后的残余变形。研究提出了软弱围岩隧道支护结构设计的原则、设计流程和支护结构设计参数。 (9)以兰渝铁路桃树坪隧道和贵广铁路天平山隧道为例,阐述了软弱围岩隧道掌子面前方变形和掌子面后方变形的控制实践,按照本课题的研究成果,均取得了很好的控制围岩变形效果。


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