软弱地层大断面(厦门)海底隧道施工稳定性控制研究

摘要

本论文结合中国大陆第一座海底隧道——厦门翔安海底隧道施工，以陆域、浅滩段软弱围岩施工稳定性控制为主线，以保护围岩自稳和指导施工为目的，从地质因素和岩体力学方面评价陆域、浅滩段围岩稳定性。通过室内试验、现场监测、数值计算和理论分析，分别对陆域浅滩段CRD工法和CD工法沉降控制对比、CRD工法步距和步序沉降控制作用、变形分配控制原理及应用、锁脚锚杆作用机理数值模拟分析、软弱地层充填注浆沉降控制等进行研究。
　　利用数值方法，模拟现场土层条件和施工条件，对CD工法和CRD工法分别建模计算，对这两种工法进行数值模拟分析和比较，综合考虑进度、经济、安全等因素，对施工方法进行比选和优选，确定合理的施工方法——CRD施工方法；对CRD工法施工步距和步序进行优化，改进隧道开挖支护方案，将拱顶沉降控制在最小范围内，解决了施工中的技术难题。
　　将变形分配控制原理应用于翔安隧道施工。首先，通过数值计算和工程经验确定控制的目标值；其次，通过监测确定隧道相应部位的变形信息，与确定的控制目标值对照，随时了解结构变位发展情况；最后，分析过度变位原因，制定相应对策，及时采取措施，修改施工方案，确保施工累计变位小于分步变位累计管理值；
　　在系统研究锁脚锚杆作用机理的基础上，结合厦门海底隧道软弱破碎围岩地段锁脚锚杆的实际施工状况，建立锁脚锚杆力学分析模型，考虑锁脚锚杆在不同打入角度、有无注浆、设置垫块与否等因素，对拱顶下沉量进行数值模拟，并结合现场监测，对工作面开挖扰动区应力、位移场进行分析，系统地研究了锁脚锚杆受力和变形规律。据此分析了各影响因素与拱顶沉降的关系，优化锁脚锚杆的设计和施工方法；
　　利用初支刚度和围岩的弱化刚度模量研究围岩的突变失稳，建立初支和围岩相互作用的突变模型，研究结果从理论上解释了壁后注浆加固机理。突变模型定量的给出了突变失稳的关键点，当围岩变形量超过关键点后，围岩就进入了散体区。变形关键点的大小是由围岩－初支系统内部因素决定的，和外界条件无关，因而应根据围岩和初支的具体情况，进行壁后注浆的设计和施工。初支背后充填注浆，加固围岩，提高围岩和初支的承载力和自稳力，控制沉降和变形。壁后注浆沉降控制作用从现场监测的数据得到很好的验证。
　　厦门翔安海底隧道是中国海底隧道建设的开端，本文结合第一条海底隧道的施工过程、监控量测、数值模拟对隧道施工稳定性控制进行研究，取得的成果指导后续海底隧道的建设。

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目录

1 绪 论

1.1 课题的提出

1.2 大断面隧道施工稳定性控制研究现状

1.3 研究目的

1.4 研究内容

1.5 研究路线

2 陆域浅滩段CRD工法和CD工法沉降控制研究

2.1 浅埋大跨软岩隧道施工方法

2.2 工程及地质概况

2.3 隧道入口端CD法与CRD法开挖引起的沉降量比较

2.4 本章小结

3 陆域浅滩段CRD工法步距和工序沉降控制作用研究

3.1 概述

3.2 地质状况及面临的问题

3.3 隧道施工的三维数值模拟参数和内容确定

3.4 六种不同的预加固工况数值模拟

3.5 两种不同施工工序计算分析

3.6 本章小结

4 变形分配控制原理及其在翔安隧道中的应用研究

4.1 概述

4.2 目标控制值的确定

4.3 变形异常的原因分析

4.4 异常变形控制措施和现场应用效果分析

4.5 各种异常变形的控制对策及效果

4.6 本章小结

5 锁脚锚杆作用机理数值模拟分析

5.1 概述

5.2 锁脚锚杆作用机理及在工程中的运用

5.3 数值模拟分析

5.4 计算结果及分析

5.5 本章小结

6 软弱地层充填注浆变形控制研究

6.1 海底隧道注浆技术综述

6.2 注浆作用机理

6.3 软弱地层充填注浆对控制沉降的影响

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结 论

7.2 展 望

参考文献

攻读博士期间主要成果

致谢