震裂岩体区软岩隧道失稳机理及安全控制对策研究

摘要

随着我国经济实力的大幅提升，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的隧道工程大量涌现，而上述地区强震后对原有山体形成的损伤使得原本复杂的山区环境更加艰险，隧道建设过程中遇到的技术难题更甚，频繁发生的余震也将给西部地震灾区隧道施工带来极大的安全隐患。如何有效预防和减少建设过程中隧道灾害的发生成为摆在业界学者面前的首要问题。因此，对于强震后地质条件相对复杂的西部山区隧道尤其是受地震影响严重的软岩隧道建设中亟待解决的关键技术问题开展研究具有重要的理论价值与现实意义。
　　基于此，本文以穿越5.12汶川地震发震断裂---龙门山活动断裂带上在建的广甘高速公路隧道群为依托，针对穿越强震动力作用后形成的大量“松”而未“动”，“裂”而未“塌”的软岩隧道为研究对象，基于广泛的资料搜集与现场调研，结合现场试验、数值分析等综合研究手段，对强震后软弱岩体典型性状进行了深入剖析，并以此为基础，对震裂岩体区软岩隧道施工过程中的失稳破坏模式、成因机制及余震作用下的灾变特性及失稳机理进行了系统研究，通过现场实践，对震裂软岩隧道施工中出现的失稳破坏治理方案进行了深入探讨，取得了以下主要研究成果:
　　(1)通过对强震区软岩隧道建设过程中揭露的大量软弱岩体资料的搜集与现场调研分析，揭示了强震区软弱岩体密度偏低、弹性波速小、透水性强及架空现象明显等基本特征，原始地应力得到一定程度释放的基本特性。
　　(2)通过对震裂岩体区软岩隧道失稳破坏现象的大量调研，并结合现场监测数据分析，揭示了该场体条件下隧道施工期围岩-支护失稳破坏的主要特征及以溜坍为主的塌方表现形式，探明了震裂岩体区软岩隧道失稳破坏的主要发生部位。
　　(3)基于调研统计和现场试验，结合数值模拟及理论分析，剖析了震裂软岩隧道围岩-支护失稳破坏的影响因素及成因机制，揭示出围岩自身强度低，自稳能力弱及地下水对岩体的弱化作用是震区软岩隧道发生失稳破坏的重要诱因;而支护背后的缺陷，以及设计和施工过程中对围岩特性认识不清，致使施工工法、支护措施、施工工艺等不当，也是诱发隧道发生围岩-支护失稳破坏的关键因素。
　　(4)通过对强震区震裂软岩隧道施工期余震作用下围岩-初支结构失稳破坏典型案例分析，采用数值分析手段，剖析了不同支护结构刚度和不同地震入射方向条件下，围岩-支护结构的动力响应规律，得出了不同刚度的初支结构，其内力的动力响应规律基本一致，对于只施作了初支的隧道而言，拱腰和拱脚更易受地震作用而产生手拉破坏;揭示了余震作用下不同空洞缺陷规模及分布位置对支护结构内力影响规律，提出了地震作用并不会使空洞对衬砌的影响范围明显扩大，但会使得空洞附近产生应力集中、支护结构承载能力降低，易出现拉剪或压剪开裂等失稳破坏，探明了震裂岩体区软岩隧道施工期余震作用下的失稳机理。
　　(5)综合震裂岩体区软岩隧道在静、动力作用下失稳破坏的影响因素及机制分析，提出了以超前加固、塌腔回填、地下水引排及加强支护为主的处治加固原则，并结合现场具体失稳破坏实例，依据上述处治原则，成功实施了试验段的整治加固，并通过现场监测，进一步验证了处治效果的可靠性，有效地控制了围岩-支护失稳段的围岩的稳定性，确保了施工的安全性，保障了施工的工程进度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究综述及存在的问题

1．2．1 震区软岩隧道建设技术的国内外研究现状

1．2．2 研究存在的问题

1．3 课题研究目标、研究内容、拟解决的关键问题

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究的主要内容

1．3．3 拟解决的关键问题

1．4 本文研究方法

第2章 震裂软岩隧道施工期围岩-支护体系破坏特征及成因分析

2．1 研究依托的工程背景及地质条件

2．1．1 依托工程背景

2．1．2 依托工程地质条件

2．1．3 依托工程的支护体系概况

2．2 震区隧道震裂岩体基本特征的分析

2．2．1 震后深部软岩体震裂损伤力学特征

2．2．2 震裂软岩岩体弹性波速特征

2．2．3 震裂软岩应力特征

2．2．4 震后软岩隧道地下水变化特征

2．2．5 震区隧道建设中面临的问题

2．3 震裂软岩隧道围岩-支护体系失稳破坏特征

2．3．1 震裂软岩隧道典型失稳案例分析

2．3．2 震裂软岩隧道围岩-支护失稳模式分析

2．3．3 震裂软岩隧道围岩-支护失稳特征分析

2．4 震裂软岩隧道围岩-支护体系失稳影响因素分析

2．4．1 地震震害对围岩-支护体系稳定的影响分析

2．4．2 岩性及岩体对围岩-支护体系稳定的影响分析

2．4．3 地应力及地下水对围岩-支护体系稳定的影响分析

2．4．4 支护背后缺陷对围岩-支护体系稳定的影响分析

2．4．5 其他因素对围岩-支护体系稳定的影响分析

2．5 震裂软岩隧道围岩-支护体系失稳破坏成因机制分析

2．6 本章小结

第3章 余震作用下的震裂岩体隧道地震动力响应分析

3．1 震裂岩体隧道余震作用下的失稳破坏

3．2 动力计算理论及方法

3．2．1 隧道动力分析方法

3．2．2 FLAC动力计算原理

3．3 初期支护作用下软岩隧道动力响应规律

3．3．1 模型建立及参数选取

3．3．2 围岩及初支的动力响应对比分析

3．3．3 初期支护的动力响应规律

3．3．4 不同刚度下的动力响应分析

3．3．5 不同入射方向的影响

3．4 余震动力作用下软岩隧道灾害机理分析

3．5 空洞缺陷下震裂岩体隧道动力分析

3．5．1 震裂岩体区软岩隧道余震作用下的空洞病害情况

3．5．2 模型的建立及参数选取

3．5．3 不同空洞位置的影响

3．5．4 不同衬砌刚度的影响

3．5．5 不同空洞规模影响

3．5．6 空洞缺陷下软岩隧道病害机理研究

3．6 本章小结

第4章 震裂软岩隧道支护失稳破坏安全控制对策研究

4．1 震裂软岩隧道围岩-支护失稳处治方案基本原则

4．1．1 掌子面反压回填

4．1．2 地下水引排

4．1．3 塌腔回填

4．1．4 加强超前支护

4．1．5 基底注浆加固

4．1．6 改善施工工法和加强支护参数

4．2 震裂软岩隧道围岩-支护失稳段处治现场试验研究

4．2．1 试验段的设置

4．2．2 试验测试项目与方法

4．2．3 试验段一整治案例分析

4．2．4 试验段二整治案例分析

4．3 震裂软岩隧道围岩-支护失稳处治效应分析

4．3．1 初期支护变形特征分析

4．3．2 钢拱架受力特征分析

4．3．3 围岩与初支接触压力

4．3．4 二衬内力及其安全系数

4．4 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的论文

参与的科研项目和获得的成果及奖励