破碎千枚岩隧道开挖方法及支护结构体系研究

摘要

随着我国西部大开发的逐渐深入，穿越高烈度、强震区等复杂地质条件下以千枚岩为代表的软岩隧道工程大量涌现，上述地区原有山体遭遇强震的揉搓损伤使得山区环境更加艰险，尤其在经历强震动力作用后，千枚岩岩体内部产生了大量隐性损伤，岩体完整性降低、透水性增强、表现出明显破碎松散特征，使得灾后重建过程中穿越该类岩体的工程实施难度进一步加大，各种灾害现象频发。隧道建设过程中该场区内施工期安全控制基准、工法及支护结构体系中关键参数的正确选取成为摆在业界学者面前的首要问题，至今也尚未形成统一的开挖及支护结构设计标准。因此，形成一套适应新近破碎千枚岩隧道的安全控制体系是确保未来西部高烈度区大量破碎千枚岩隧道安全施工的关键。
　　论文以龙门山断裂核心影响区域的杜家山千枚岩隧道建设为工程背景，结合四川省交通科技项目课题“广甘高速公路隧道修建关键技术”开展研究。在广泛资料搜集与现场调研的基础上，主要采用理论分析、相似模型试验、数值模拟和现场试验等研究手段，对新近破碎千枚岩岩体的典型性状及隧道变形特征与成因机制进行了深入剖析，并以此为依托，针对该场区条件下隧道施工期安全控制基准管理体系、施工工法及支护结构体系中的关键设计参数进行详细研究，取得主要成果如下:
　　1、揭示了破碎千枚岩低强度、低密度、弹性波速衰减强、渗透性高及架空现象明显等基本特征，分析了该场体条件下隧道施工期围岩-支护变形特征及失稳破坏的主要演变方式。针对隧道失稳断面变形及结构受力特点，从岩体基本特性、变形破坏特征及影响因素等方面分析了结构失稳的成因机制，并揭示毛洞状态洞室极限位移。
　　2、通过对依托工程隧址区大量典型失稳案例的统计分析，探明了破碎千枚岩隧道安全控制基准建立的主要关联指标及管理指标控制值，根据隧道变形的演变规律，拟定了初期支护安全位移、裂损位移、正常使用极限状态位移、承载能力极限状态位移的划分标准，将安全位移、裂损位移纳入安全控制基准管理等级的划分中。
　　3、结合隧道-地层模拟试验系统与数值模拟，分析了隧道埋深、工法、断面形式、支护强度等管理指标与安全基准之间的关联性影响，揭示了各影响因子下结构的破坏规律以及对应的极限位移;以此为基础，结合变形监测值的统计分析，确定了以娟云母千枚岩为代表的Ⅴ级软岩安全控制值，并根据各安全控制值的划分与选取，建立了隧道以“台阶法”开挖为主的不同埋深档施工期安全控制基准，同时提出合理预留变形值。
　　4、利用现场试验及有限元计算方法分析了破碎千枚岩隧道在采用目前山岭隧道主流工法下围岩及支护结构的变形及力学特性，探讨了各工法下两者间的相互作用机理，揭示了各工法对千枚岩地层的适宜性与技术可行性，并确定了隧道适宜工法。同时对适宜工法在采取不同循环进尺、台阶高度比、核心土宽高比等参数开挖后结构的变形及力学特性进行了比较分析，提出了适宜工法关键参数。
　　5、开展了破碎千枚岩隧道基于支护参数优化的力学特性相似模型试验，探明了不同喷砼厚度、拱架间距、锚杆长度及排列、二次衬砌厚度等因素对隧道结构变形及力学特性的影响规律，确定了支护结构体系中的关键参数。
　　6、对提出的支护参数在依托工程典型围岩段开展了现场试验研究，通过对测试数据的系统分析，论证了不同支护结构对破碎千枚岩隧道的支护效果，揭示了结构变形及受力的长期演变规律，对比分析了有、无系统锚杆结构的力学特征，探明了锚杆支护作用效果，实现对衬砌结构安全性的综合评判。
　　新近破碎千枚岩岩体的物理力学特点与一般地区软岩有较大区别，两者施工期安全控制体系存在较大差异。论文研究成果将为破碎千枚岩隧道的结构设计提供理论依据和实用方法，同时为我国西部高烈度区未来大量破碎千枚岩隧道的建设提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及问题的提出

1．1．1 论文研究背景及意义

1．1．2 问题的提出

1．2 国内外研究现状与成果

1．2．1 破碎千枚岩隧道设计施工关键修建技术研究现状

1．2．2 相关试验研究现状与方法

1．3 研究存在的问题

1．4 本文依托背景、研究内容与方法

1．4．1 依托工程背景

1．4．2 研究内容与方法

第2章 破碎千枚岩隧道施工期变形特性

2．1 破碎千枚岩岩体物理力学特征

2．2 破碎千枚岩隧道施工期变形特性

2．2．1 隧道施工期变形破坏特点

2．2．2 变形破坏断面实测数据分析

2．2．3 围岩-支护体系变形破坏特征分析

2．3 破碎千枚岩隧道变形破坏影响因素分析

2．3．1 隧址区不良岩体特性的影响

2．3．2 隧址区地下水特征的影响分析

2．3．3 隧道施工方法的影响分析

2．3．4 隧道支护结构体系的影响分析

2．4 破碎千枚岩隧道围岩-支护变形破坏规律及成因机制分析

2．4．1 围岩变形破坏规律分析

2．4．2 围岩-支护变形破坏成因机制分析

2．5 本章小结

第3章 破碎千枚岩隧道施工期安全控制基准

3．1 破碎千枚岩隧道安全基准影响因素及判别标准的确定

3．1．1 安全基准控制指标的确定

3．1．2 破坏准则及结构承载能力状态的确定

3．1．3 管理指标控制值的确定

3．2 各影响指标与隧道安全控制基准的关联性分析

3．2．1 隧道埋深的关联性分析

3．2．2 隧道旋工工法的关联性分析

3．2．3 隧道支护强度及刚度的关联性分析

3．2．4 隧道断面形式的关联性分析

3．3 破碎千枚岩隧道变形实测数据统计分析

3．3．1 围岩-支护结构稳定段变形分析

3．3．2 围岩-支护结构破坏段变形分析

3．3．3 支护结构稳定时变形规律及统计分析

3．3．4 支护结构异常时变形规律及统计分析

3．4 破碎千枚岩隧道安全控制基准的建立

3．4．1 按支护体系稳定性确定的施工期安全控制基准

3．4．2 按允许位速率确定的施工期安全控制基准

3．5 本章小结

第4章 破碎千枚岩隧道施工工法适宜性研究

4．1 软岩隧道施工工法调研及分析

4．1．1 软岩隧道常用工法及其特性

4．1．2 依托工程工法调研及分析

4．2 基于现场监测的各工法结构实际受力性态研究

4．2．1 各工法基本特点与量测概况

4．2．2 不同工法变形实测数据分析

4．2．3 不同工法结构实际受力性态研究

4．3 基于数值分析与室内试验的施工工法比选研究

4．3．1 模型的建立与参数选取

4．3．2 数值计算结果分析

4．3．3 模型试验与数值计算结果对比分析

4．3．4 优选工法适宜性探讨分析

4．4 优选工法关键设计参数试验比选与数值分析

4．4．1 现场试验段设置及方法

4．4．1 不同循环进尺下现场监测分析

4．4．2 数值模拟补充验证

4．5 本章小结

第5章 基于支护参数优化的破碎千枚岩隧道支护力学特性

5．1 隧道结构失稳形态与支护体系的关联性探讨

5．1．1 软岩隧道变形与支护理论

5．1．2 依托工程支护参数及分析

5．2 基于室内模型试验的衬砌结构变形及力学响应研究

5．2．1 模型试验序列与方法

5．2．2 试验数据采集系统与量测项目

5．2．3 初支厚度优化衬砌力学特征分析

5．2．4 拱架间距优化衬砌力学特征分析

5．2．5 锚杆长度及间距优化支护效应分析

5．2．6 二衬优化衬砌力学特征分析

5．3 破碎千枚岩隧道衬砌结构实际受力性态研究

5．3．1 现场试验断面及基本概况

5．3．2 现场试验成果分析

5．3．3 试验与数值计算结果对比分析

5．4 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论文

攻读博士学位期间参加科研情况