浅埋暗挖法修建水下小净距软岩隧道的力学行为和关键技术研究

摘要

穿越城市江河的水下隧道若采用“浅埋+小净距”的形式，既易于满足坡度设置的要求，又便于连接两岸的既有道路和节约用地，有着广阔的应用前景，但目前我国用浅埋暗挖法修建的水下小净距交通隧道还很少。本文以长沙市浏阳河公路隧道为工程背景，通过现场测试、室内试验、解析计算和数值模拟，研究浅埋暗挖法修建水下小净距软岩隧道的力学行为和关键技术。主要工作和成果如下:
　　 (1)在施工现场详细记录了工作面的推进情况、掌子面的围岩状况和隧道的渗水情况，获取了丰富的第一手资料以利于阐述问题和验证研究结果。
　　 (2)开展了深入细致的现场测试与分析:自制了土压力盒安装器，给出了详细的测试元件埋设方法和保护措施;分析了河道水位、地表沉降、初衬的拱顶沉降和水平收敛、初衬背后的水压力、围岩与初衬间的接触压力、锚杆轴力、型钢拱架应力、二衬混凝土应力等测试指标的变化特点;分析了开挖下台阶、全环封闭初衬、挖掉仰拱初衬上的临时填土、灌注仰拱二衬混凝土、灌注拱墙二衬混凝土、移走二衬台车等施工环节对衬护力学性态的影响;分析了地下水渗流路径在施工过程中的变化情况;总结了水下双洞并行施工相互影响力学行为的特点。根据现场测试结果，认为可以采用“折减系数法”计算施作二衬以前的初衬背后水压力，提出了折减系数的确定方法。
　　 (3)针对浏阳河隧道采用台阶法施工，在下台阶开挖后未必能及时施作初期支护的情况，推导出了“上半断面存在支护力、下半断面无支护力”、河水水位上升情况下的水下浅埋隧道围岩附加应力的计算表达式。
　　 (4)通过建立考虑渗流的数值模型，计算分析了水下浅埋暗挖小净距并行双洞的河床沉降、初衬拱顶沉降、初衬主应力和水压力等，分析了河水水位变化对双洞初衬拱顶沉降的影响。对比分析了数值模拟结果和现场测试结果。
　　 (5)研究了水下浅埋暗挖强风化砾岩隧道超前加固技术及相关理论问题:介绍了联合超前支护技术方案，讨论了止浆岩柱和孔口管存在的问题;对比分析了TSP超前地质探测结果和施作联合超前支护后开挖揭露的实际围岩状况;分析了注浆浆液在强风化砾岩中的作用机制，分析了联合超前支护作用下围岩横向承载拱的形成机制;通过室内试验，对比分析了三种浆液和强风化砾岩的力学性质、施作联合超前支护前后的岩样波速;给出了联合超前支护作用下的上台阶爆破技术方案;通过现场测试和数值模拟，分析了拱部锚杆在应用联合超前支护后的功效;考虑渗流的影响，对比分析了无任何超前支护措施、只有全断面超前预注浆、联合超前支护三种情况下初衬的受力变形，并结合现场测试结果，分析了联合超前支护对初衬受力性状的影响;研究了应用联合超前支护后拱墙二衬的合理施作时机。
　　 (6)研究了水下浅埋暗挖小净距隧道贯通技术及相关理论问题:针对浏阳河隧道相向施工、双线四洞将在河底两两贯通的情况，建立考虑渗流影响的三维数值模型，计算分析贯通处两侧初衬的拱项沉降、先到达贯通处的初衬的应力、先到达贯通处的洞室的掌子面纵向位移、贯通处岩柱的应力、贯通区域的河床沉降和中夹岩的竖向应力等，揭示了围岩和初衬在贯通过程中的力学特征，给出相应的贯通技术措施，现场观察和现场实测均表明贯通效果较好，证明了计算结果的参考价值。
　　 (7)研究了水下浅埋暗挖隧道二衬防水技术及相关理论问题:通过在施工期间和运营期间的长期现场调查，分析了仰拱防水板的作用机制和“全包全封闭”二衬防水技术的应用效果;计算了防水型二衬在隧道长期运营后所受的水压力和土压力;通过计算对比，揭示了施工期间不处理隧底虚渣对长期运营后防水型二衬受力性状的恶化效应，并提出了相应的工程措施。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 矿山法施工水下隧道力学行为的研究现状

1．2．2 矿山法施工小净距隧道力学行为的研究现状

1．2．3 水下隧道超前加固技术及相关理论问题的研究现状

1．2．4 水下隧道复合式衬砌防排水技术及相关理论问题的研究现状

1．3 水下浅埋暗挖小净距隧道的特点

1．3．1 矿山法施工越江浅埋隧道与海底深埋隧道的比较

1．3．2 矿山法施工水下小净距隧道与非水下小净距隧道的比较

1．4 本文的研究内容、方法和技术路线

1．5 小结

第二章 浏阳河隧道施工力学行为的现场测试研究

2．1 前言

2．2 工程概况

2．2．1 设计施工简介

2．2．2 地质条件简介

2．3 测试断面的布置

2．4 测试元件的标定

2．4．1 压力盒的标定

2．4．2 水压计的标定

2．4．3 锚杆应变计的标定

2．4．4 型钢拱架应变计和二衬混凝土应变计的标定

2．5 测试元件的现场埋设方法和埋设状态

2．5．1 布设洞内位移测点

2．5．2 埋设水压计

2．5．3 埋设压力盒

2．5．4 埋设型钢拱架应变计

2．5．5 埋设锚杆应变计

2．5．6 埋设二衬混凝土应变计

2．6 测试元件的现场保护方法

2．7 现场测试结果分析

2．7．1 YK0+986(ZK0+982)剖面的现场测试结果分析

2．7．2 YK1+070断面的现场测试结果分析

2．7．3 河道水位的现场测试结果

2．7．4 地下水的渗流路径

2．8 施作二衬以前的初衬背后水压力的计算方法

2．8．1 初衬背后水压力现场实测结果的综合分析

2．8．2 施作二衬前初衬背后水压力的计算方法

2．9 小结

第三章 水下浅埋隧道施工过程中围岩附加应力的计算

3．1 前言

3．2 理论推导计算过程

3．2．1 在复平面上建立力学模型

3．2．2 保角变换

3．2．3 只存在上半断面支护力的理论推导计算过程

3．2．4 只存在水压力的理论推导计算过程

3．3 算例

3．4 小结

第四章 水下浅埋暗挖小净距并行双洞施工力学行为的数值模拟研究

4．1 前言

4．2 考虑渗流的数值计算原理

4．3 建立考虑渗流的计算模型

4．3．1 YK1+070(ZK1+068)剖面的计算模型

4．3．2 YK0+986(ZK0+982)剖面的计算模型

4．4 数值计算的结果分析

4．4．1 水压力和地下水的渗流路径

4．4．2 河床沉降

4．4．3 初衬拱顶沉降

4．4．4 初衬的主应力

4．5 数值模拟结果和现场测试结果的对比分析

4．5．1 初衬拱顶沉降的对比分析

4．5．2 初衬背后水压力的对比分析

4．5．3 水域段的河床沉降槽和陆域段的地表沉降槽

4．5．4 对比结果的综合分析

4．6 河水水位变化对双洞初衬拱顶沉降的影响

4．7 小结

第五章 浏阳河隧道联合超前支护技术及相关理论问题研究

5．1 前言

5．2 联合超前支护的技术方案

5．2．1 联合超前支护的技术方案

5．2．2 几个问题的讨论

5．3 对比TSP探测结果与开挖揭露的围岩状况分析联合超前支护技术的应用效果

5．3．1 TSP超前地质探测

5．3．2 对比TSP探测结果与开挖揭露的围岩状况分析联合超前支护技术应用效果

5．4 通过室内试验研究联合超前支护技术的应用效果

5．4．1 对比分析三种浆液的力学性质

5．4．2 对比分析强风化砾岩和浆液凝固体的抗压强度

5．4．3 对比分析加固前后的岩样波速

5．5 应用联合超前支护技术对后续施工环节的影响

5．5．1 联合超前支护作用下的爆破技术方案

5．5．2 联合超前支护作用下的拱部系统锚杆功效

5．5．3 联合超前支护作用下的初衬受力变形

5．5．4 联合超前支护作用下的拱墙二衬施作时机

5．6 小结

第六章 浏阳河隧道河底贯通技术及相关理论问题研究

6．1 前言

6．2 贯通模型和贯通方案

6．3 数值计算结果分析

6．3．1 贯通处两侧初衬的拱顶沉降

6．3．2 先到达贯通处的初衬的应力

6．3．3 先到达贯通处的洞室的掌子面纵向位移

6．3．4 贯通处岩柱的应力

6．3．5 河床沉降

6．3．6 中夹岩的竖向应力

6．4 贯通的实际效果

6．5 小结

第七章 浏阳河隧道二衬防水技术及相关理论问题研究

7．1 前言

7．2 “全包全封闭”二衬防水技术的特点

7．2．1 二衬全环封闭防水

7．2．2 防水板全环封闭防水

7．2．3 接缝防水

7．3 “全包全封闭”二衬防水技术的应用效果

7．4 应用“全包全封闭”二衬防水技术需要考虑的两个问题

7．4．1 防水型二衬长期工作后所受的水土压力计算

7．4．2 施工期不处理隧底虚渣对长期运营后防水型二衬受力性状的影响

7．5 小结

第八章 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 主要创新点

8．3 有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果