浅埋大跨膨胀土隧道变形机理及支护力学行为研究

摘要

为了缓解日益紧张的交通运输压力，我国掀起了大力建设铁路、公路的浪潮，穿越不良地质段的隧道工程日益增多，并且随着铁路及公路建设技术标准的提高，不可避免地出现了大量的浅埋大跨膨胀土隧道。由于膨胀性围岩吸水膨胀-失水收缩的特性，导致在隧道施工过程常常出现围岩恶化情况，使围岩和支护结构出现较大变形，甚至破坏，造成了一系列的安全事故，给工程质量、进度控制带来了极大困难。鉴于膨胀土膨胀机理及工程特性的复杂性，目前膨胀性围岩隧道的设计和施工还没有成熟的原则和方法，其仍是隧道工程设计建设中的重大难题之一。因此开展膨胀性围岩隧道，尤其是浅埋大跨膨胀土隧道变形机理及支护力学行为研究具有重要的现实意义。
　　论文以中国中铁总公司项目“铁路浅埋大跨强膨胀土隧道关键技术研究”(重大-18-2011)为背景，依托云南呈贡隧道工程，针对浅埋大跨膨胀土隧道变形机理及支护力学行为，采用理论分析、解析公式推导、室内试验、数值模拟和现场试验相结合的方法，展开了系统性研究，主要成果和结论如下:
　　(1)采用有荷侧限膨胀试验（试样充分吸水后），建立了膨胀力与不用初始条件（不同干密度和不同初始含水量）多项相关关系，解决了以往公式中膨胀力与干密度、初始含水量单一的数学关系;建立了一定干密度情况下，膨胀率与上覆荷载和含水量的关系。采用直剪试验对膨胀土抗剪强度与含水量的关系进行了分析，拟合得到了剪应力与上覆荷载和初始含水量的关系曲线。
　　(2)基于改进的三轴试验，提出了一种膨胀土试样在三向应力作用下膨胀土体积膨胀率与“过程含水量”关系曲线的测定方法，使得室内试验和工程实际达到较好吻合，对研究膨胀土的力学行为具有更好的科学性和合理性。
　　(3)基于弹性力学原理，推导得到了深浅埋隧道围岩在不同膨胀条件下，隧道支护结构所受应力及变形的解析解。从理论上分析判明随围岩膨胀率和结构支护刚度变化时，支护结构应力和变形分布规律，可为膨胀土隧道设计阶段相关参数拟定以及施工阶段采取应对措施提供一定理论依据。
　　(4)基于浅埋隧道掌子面失稳的“一般”破坏模式，采用塑性极限分析上限定理，首次建立了浅埋膨胀土隧道掌子面极限支护力的上限解;分析了掌子面水平支护力影响因素，提出在浅埋条件下隧道埋深是影响掌子面水平支护力的首要因素;本研究成果可为浅埋膨胀土隧道掌子面加固（如掌子面锚杆加固）设计提供理论依据。
　　(5)针对浅埋膨胀土隧道掌子面锚杆加固设计，通过大量室内粘结性能试验，获得了玻璃纤维筋(GFRP)锚固性能指标参数及其影响因素;采用数力方法，推导得到了锚杆的剪切刚度解析解，并且根据室内试验结果对该解析解进行了修正;在上述研究成果基础上，采用理论和数值分析相结合的方法对玻璃纤维筋加固长度、根数及范围等对掌子面加固效果进行量化研究，得到合理的玻璃纤维筋掌子面加固参数。
　　(6)采用三维有限差分方法，研究施工过程中膨胀土隧道开挖卸荷引起围岩应力和变形规律、支护结构荷载分布形式及受力特性、掌子面变形及稳定性，对比分析了管棚+上下台阶法、管棚+上下台阶留核心土法和管棚+全断面+掌子面锚杆法三种开挖方法的优缺点，确定浅埋大跨膨胀土隧道施工的合理开挖方法，并针对膨胀土隧道施工稳定性问题提出相应防治措施。
　　(7)建立了基于η—ω关系曲线以及土水特征曲线连成作用下的膨胀土隧道围岩吸水膨胀力学模型;并通过ABAQUS有限元数值分析，探明了“膨压效应”影响下浅埋大跨隧道围岩膨胀前后支护结构变形和受力特性，确定出膨胀范围，合理评价了浅埋膨胀土隧道围岩吸水膨胀对支护结构的影响。
　　(8)基于依托工程隧道多断面现场试验，研究膨胀土地层围岩及隧道衬砌结构受力及变形特性，掌握膨胀性围岩与初支、初支与二衬之间的接触压力以及支护结构的内力分布特征，明确二衬支护在膨胀土隧道施工及运营过程中荷载的分担比，并确定隧道开挖对洞周的影响范围。基于施工信息化监控量测结果，及时反馈，优化隧道设计和施工，为膨胀土隧道支护结构体系长期运营安全建立技术保障体系以及工程应对和风险控制提供科学决策依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景及意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 膨胀土胀缩机理研究

1．2．2 膨胀土膨胀特性及强度研究

1．2．3 膨胀土隧道变形机理及膨胀压力研究

1．2．4 膨胀土隧道施工技术研究

1．2．5 掌子面预加固技术研究

1．2．6 研究中存在的问题

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 膨胀土膨胀特性与强度指标试验研究

2．1 膨胀土工程特性

2．2 膨胀土膨胀特性试验研究

2．2．1 膨胀指标及测定方法

2．2．2 膨胀土等级室内试验判别

2．2．3 有荷侧限条件下膨胀土膨胀特性试验分析

2．2．4 膨胀土本构关系讨论

2．3 膨胀土抗剪强度与含水量关系试验研究

2．4 三向应力下膨胀土体积膨胀率与含水量关系研究

2．5 本章小结

第3章 膨胀土隧道膨胀压力及变形解析解研究

3．1 膨胀土隧道围岩膨胀变形机理

3．2 膨胀土隧道膨胀压力及位移理论解析

3．2．1 基本假设

3．2．2 推导过程

3．2．3 工程算例

3．3 本章小结

第4章 膨胀土隧道掌子面稳定控制技术研究

4．1 掌子面稳定性评价

4．1．1 建立破坏模式

4．1．2 基于极限分析上限法的开挖面稳定性分析

4．1．3 掌子面水平支护力影响因素分析

4．2 掌子面锚杆预加固技术研究

4．2．1 掌子面锚杆粘结性能理论分析

4．2．2 掌子面锚杆粘结性能试验分析

4．2．3 掌子面锚杆预加固技术数值分析研究

4．3 本章小结

第5章 浅埋大跨膨胀土隧道施工力学行为及对策研究

5．1 问题的提出

5．2 浅埋大跨膨胀土隧道施工力学及变形特性研究

5．2．1 计算模型与参数选取

5．2．2 施工过程模拟

5．2．3 围岩变形特征分析

5．2．4 围岩应力特征分析

5．2．5 掌子面稳定性分析

5．2．6 支护结构内力分析

5．3 膨胀土隧道设计及施工对策

5．4 本章小结

第6章 浅埋大跨膨胀土隧道支护结构力学特性研究

6．1 弹塑性本构模型

6．2 计算模型及参数选取

6．3 饱和度变化分布

6．4 不同工况下围岩变形和支护结构受力特征分析

6．4．1 隧道围岩变形分析

6．4．2 围岩塑性区分析

6．4．3 支护结构内力分析

6．5 本章小结

第7章 浅埋大跨膨胀土隧道支护结构力学特性现场试验

7．1 工程概况

7．2 现场试验方案

7．2．1 现场测试内容

7．2．2 现场测试监测方法

7．2．3 测试断面及具体内容

7．2．4 量测数据整理和分析

7．3 呈贡隧道典型断面位移监测结果分析

7．4 呈贡隧道监测断面接触压力及支护结构内力监测结果分析

7．4．1 围岩压力

7．4．2 初期支护内力

7．4．3 初期支护与二衬间压力

7．4．4 二次衬砌内力

7．4．5 锚杆轴力

7．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研项目

参与的科研项目和获得的成果与奖励