卵砾石地层大跨浅埋隧道稳定性与植物加筋作用研究

摘要

通常情况下，岩石或土层之中隧道工程已积累了较多的施工技术与经验。对于性质介于碎裂岩体和均质土体之间的卵砾石地层隧道，国内外都没有太多的工程案例，相关的设计施工技术与经验比较缺乏，理论研究更不多见。因此，系统地分析卵砾石土的工程特性，探讨此种特殊地质条件下大跨浅埋公路隧道设计、施工的关键技术，对实际工程具有很好的指导意义。 本文以江苏省宁(南京)常(州)高速公路茅山西隧道为工程背景，在现场地质调查、原位大型试验、隧道施工过程监控量测的基础上，采用数值模拟和理论分析相结合的研究方法，针对低山丘陵区地形复杂、地表植被丰富的卵砾石地层大跨浅埋公路隧道施工安全稳定的关键问题开展了系统深入的研究。主要研究内容和成果总结如下： (1)基于现场地质调查和室内外试验的成果，系统分析了茅山西隧道卵砾石土工程地质特性。通过现场地质调查，结合室内筛分试验成果，探明了卵砾石土的物质组成、粒径大小、颗粒级配及其分布状况：通过现场大型直剪试验，获得了卵砾石土的抗剪强度指标；粘质胶结的卵砾石土具有明显的峰值强度和残余强度；其粘聚力较低，而内摩擦角较高：初步探讨了卵砾石地层隧道围岩分级标准及其开挖支护参数，分析了卵砾石地层隧道变形破坏模式；根据卵砾石土工程地质特征，确定数值模拟方法所采用的计算模型和地质参数。 (2)在隧道穿越卵砾石土地段，选取典型断面，建立偏压地形大跨浅埋公路隧道的三维计算模型；以设计支护参数，分别采用台阶法和分部开挖法以不同开挖方式、不同开挖顺序来模拟隧道的施工过程；通过对计算结果的对比分析，综合考虑施工过程的围岩稳定和支护结构的安全，确定卵砾石地层偏压地形大跨浅埋公路隧道的合理开挖方案：拱部超前预支护辅助措施下、先从浅埋拱部断面开挖支护的上半断面临时中隔墙四分部法。 (3)针对卵砾石地层偏压地形大跨浅埋公路隧道采用上半断面临时中隔墙四分部法的施工过程进行了稳定分析，总结了施工过程中嗣岩和支护结构的位移和应力变化规律，提出了旌工过程中应该注意和需要加强的局部部位及其施工对策；将数值计算结果与茅山西隧道相应断面实际施工过程监测数据进行对比分析，结果有较好的一致性。 (4)明确最小安全净距的基本概念，提出以围岩竖向位移和最小主应力以及初期支护最小主应力随净距减小是否发生突变、并结合中间岩柱是否出现塑性区综合确定最小安全净距的新方法；在此基础上，选取典型分析断面，考虑实际地形条件，分别以2.0B、1.5B、1.0B、0.75B、0.5B、0.3B(B为隧道开挖跨度)共6种不同净距建立双洞隧道的三维计算模型，采用普通分离式隧道设计支护参数和上半断面临时中隔墙四分部法对施工过程进行数值模拟，通过对计算结果的对比分析，确定不对称地形条件下卵砾石地层大跨浅埋公路隧道的最小安全净距为隧道开挖跨度的0.75倍。 (5)系统总结了植物根系加筋机理的国内外研究成果，根据根系加筋的力学模型明确了根系加筋的计算方法。针对不同类型植物根系的几何形态和分布特征，基于根系的抗拉强度和根土之间的接触摩擦效应，讨论了浅根的加筋作用和深根的锚同作用：并明确了浅根加筋和深根锚固效应的计算方法，即浅根的加筋作用可以通过提高根土复合体的强度指标来等效处理，而深根的锚固作用在数值模拟过程中采用全长粘结型锚索来模拟。 (6)考虑不同类型植物根系的力学加筋作用效果，探讨了植物根系的加筋作用对软弱岩体大跨浅埋公路隧道施工稳定的影响。结果表明：一定含量植物根系的浅层加筋作用和合理间距木本植物主根、侧根、须根的联合加筋效果对浅埋隧道施工稳定能够产生有利影响；而单纯主根型的木本植物根系加筋的影响效果不明显；植物根系的加筋作用对浅埋隧道施工稳定的影响主要体现在减小了拱顶下沉和地表沉降，大幅度提高了地表浅层土体的抗拉能力；对于植物根系的浅层加筋来说，当隧道埋深稍大于植物根系的分布范围，即埋深1-2m时效果更佳。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.2.1隧道稳定分析方法

1.2.2卵砾石土工程特性的研究

1.2.3大跨浅埋隧道开挖方法和施工稳定的研究

1.2.4卵砾石地层隧道开挖方法和施工稳定的研究

1.2.5公路隧道最小安全净距的研究

1.2.6植物根系的加筋作用及其工程应用研究

1.3 主要研究内容和技术路线

第二章 卵砾石土工程地质特性与隧道施工方法分析

2.1茅山隧道工程简介

2.1.1茅山隧道支护结构总体设计

2.1.2茅山西隧道卵砾石地层浅埋段设计概况

2.2茅山西隧道卵砾石土的分布与成因调查

2.3卵砾石土物理力学性质试验研究

2.3.1卵砾石土的粒径分析

2.3.2卵砾石土的现场密度

2.3.3卵砾石土的抗剪强度

2.3.4胶结物性质试验

2.4卵砾石地层隧道围岩分级方法探讨

2.5卵砾石地层隧道开挖变形破坏模式和支护型式分析

2.6本章小结

第三章 卵砾石地层大跨浅埋公路隧道施工稳定数值模拟分析

3.1数值模拟计算方案

3.1.1计算模型的建立

3.1.2计算参数的确定

3.1.3开挖方案施工过程的模拟

3.2数值模拟计算结果分析及合理开挖方案的选择

3.2.1围岩变形情况

3.2.2围岩主应力分布情况

3.2.3围岩塑性区分布情况

3.2.4支护结构主应力分布情况

3.2.5合理开挖方案的选择

3.3所选开挖方案的施工过程稳定分析

3.3.1围岩位移变化情况

3.3.2围岩主应力变化情况

3.3.3围岩塑性区变化情况

3.3.4初期支护主应力变化情况

3.3.5二次衬砌主应力变化情况

3.3.6稳定分析小结

3.4模拟结果与实测数据的对比分析

3.5本章小结

第四章 卵砾石地层大跨浅埋公路隧道最小安全净距研究

4.1小净距隧道最小安全净距的概念及其优化原则

4.2小净距隧道最小安全净距的模拟计算方案

4.2.1计算模型的建立

4.2.2计算参数的确定

4.2.3施工步骤的模拟

4.3计算结果分析和小净距隧道最小安全净距的确定

4.3.1围岩塑性区分布的变化情况

4.3.2围岩最小主应力分布的变化情况

4.3.3围岩竖向位移的变化情况

4.3.4初期支护最小主应力的变化情况

4.4本章小结

第五章　植物根系的加筋机理及其力学模型分析

5.1植物根系的形态和分布

5.1.1植物根系的几何形态特征

5.1.2植物根系在土层中的分布特征

5.2植物根系的加筋机理

5.2.1植物根系的抗拉强度

5.2.2植物浅根的加筋作用力学模型

5.2.3植物深根的锚固作用力学模型

5.3 茅山隧道浅埋段植物根系分布状况及其计算模犁

5.3.1毛竹根系的现场调查及其计算模型

5.3.2水杉根系的现场调查及其计算模型

5.4本章小结

第六章　植物根系加筋作用对大跨浅埋公路隧道施工稳定影响研究

6.1植物根系加筋对隧道施工稳定影响的模拟方案

6.2植物根系浅层加筋对浅埋隧道施工稳定影响分析

6.2.1围岩位移的影响

6.2.2围岩主应力的影响

6.2.3围岩塑性区的影响

6.2.4初期支护主应力的影响

6.2.5二次衬砌主应力的影响

6.3主根型木本植物根系加筋对浅埋隧道施工稳定影响分析

6.3.1开挖支护完成以后二次衬砌以前的计算结果对比

6.3.2二次衬砌施上以后的计算结果对比

6.4木本植物的主根、侧根和须根联合加筋对浅埋隧道施工稳定影响分析

6.4.1围岩位移的影响

6.4.2围岩主应力的影响

6.4.3围岩塑性区的影响

6.4.4初期支护主应力的影响

6.5不同埋深情况下植物根系浅层加筋对隧道施工稳定影响分析

6.5.1围岩位移的变化情况

6.5.2围岩主应力的变化情况

6.5.3初期支护主应力的变化情况

6.6不同初期支护条件下植物根系浅层加筋对浅埋隧道施工稳定影响分析

6.6.1围岩位移的变化情况

6.6.2围岩主应力的变化情况

6.6.3初期支护主应力的变化情况

6.7本章小结

第七章　结论与展望

7.1主要研究成果和结论

7.2存在问题及继续研究方向

参考文献

致 谢

攻读博士学位期间发表的论文