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《北京交通大学》 2010年
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堡镇软岩隧道大变形机理及控制技术研究

郭富利  
【摘要】: 摘要:复杂条件下地下洞室及其围岩的稳定性历来受到关注,尤其是高地应力、地下水发育和较为破碎的围岩,变形破坏非常严重且持续时间长,同时又表现出时间上和空间上不均匀、不对称等诸多特性,开挖、支护和维护难度大。由于这类围岩显示出显著的时间特性,因此,以前的研究者多基于岩石流变观点,用连续介质流变理论来研究围岩的流变性及巷道变形破坏的时间相关性,而对其岩体结构,则认为是确定的和固定不变的。工程实践表明,这些研究尚未能揭示层状围岩大变形本质,基于这些研究而采取的支护措施,效果不甚理想。 堡镇隧道地质条件复杂,局部地段处于高应力区,围岩变形具有变形速度快、变形量大且破坏严重、持续时间长的特征,同时又表现出变形不对称和不均匀的特征。本文依托堡镇隧道工程实践进行了大量的室内试验研究: (1)考虑围岩赋存环境,对不同岩性岩石的物理力学性质参数进行测定,得到了围压和饱水时间对软岩峰值强度、残余强度和峰后体积变化的影响规律; (2)根据大变形段掌子面围岩分布有软弱夹层的岩层组合结构,利用常规三轴压缩试验研究夹层厚度对岩石强度的影响规律,根据试件破坏形态,提出夹层破坏前后与围岩的相互作用关系,分析了夹层引起围岩结构变形失稳的动态过程,建立了含软弱夹层层状岩体结构系统力学模型,研究了变形失稳机理; (3)根据饱水试验结果和现场支护结构应力的监测数据,进行了低围压条件下的三轴压缩试验,探求支护阻力对软岩强度和体积应变的影响规律,在控制围岩大变形方面,指出了“强支硬顶”的支护方式在理论上不合理、实践中不可行,提出了峰后软化阶段末尾和残余阶段开始作为二衬的最佳施作时机。 根据试验结论及大量的现场调研及丰富的测试和监测资料,同时查阅并参考了国内外较多类似地下工程实例,发现这类高应力区的层状软弱围岩的流变性及其它相关特征,不是由岩石变形引起,而是由地层结构的时间相关性变形所致。据此,提出堡镇隧道围岩变形的3种模式:①围岩岩性控制类,②层状岩层结构控制类,③围岩赋存环境控制类。岩层结构控制类大变形是堡镇隧道围岩大变形的主要形式,是指在高应力区完整性差的软弱围岩体内,由于岩体开挖,岩层结构依应力状态而发生一系列复杂的时间相关性的力学行为和力学响应,使工程岩体表现出显著流变的现象或过程。 利用多种实测资料,从围岩位移和变形破坏的时间和空间分布特征,论证了层状围岩动态过程,分析了地层结构随时间而变化的演化机理,探讨了导致围岩产生大变形及其它相关特性的原因,在此基础上,总结了围岩的动态特征、变形机制和模式,建立了不同岩性、不同地层结构围岩变形的力学模型,解释了围岩变形具有不对称性的原因,为不对称支护和不对称预留变形量提供了理论依据。在二衬的实践中,认为“当初期支护变形量达到总变形量的70%时尽快施作二衬”比较符合现场实践,提出了控制软岩隧道大变形的原理和方法和高地应力大变形段围岩支护的6条原则,形成了系统的关键技术。 层状地层结构变形失稳引起围岩大变形的观点从动态上和本质上认识岩体演化过程及其变形破坏机理,突破了关于岩体结构及其特征的静态认识,研究成果在堡镇隧道应用后可以做到措施超前、到位,确保了软岩地段的快速、安全施工该研究成果也可为同类型复杂条件下的地下工程研究及支护提供借鉴和参考。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:U451.2

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