软弱围岩大断面隧道开挖面稳定性及控制研究

摘要

近些年来，国内在城市地铁和跨江海隧道的修建中遇到了大量的穿越软弱围岩中的大断面隧道，为了保证施工阶段的安全，如何确保这些隧道施工中开挖面的稳定变成一个亟待解决且具有重要工程意义和理论价值的问题。
　　 本文以浏阳河隧道等工程作为背景，采用理论分析、数值模拟、模型试验以及现场监测等研究手段，针对软岩大断面隧道开挖面的稳定性及其控制方法进行研究，论文主要在以下六个方面展开工作，并得到相关结论:
　　 1.根据我国铁路隧道围岩分级标准，对不同围岩条件和埋深下双线铁路隧道(跨度15m，高度13.5m)的开挖面稳定性进行分级，当开挖面挤出变形小于8mm，在8mm～45mm之间，大于45mm时，或者当开挖面平均塑性剪切应变小于0.001，在0.001～0.006之间，大于0.006时，开挖面分别为稳定状态、短期稳定状态、不稳定状态。
　　 2.利用二分法的原理对锚杆的极限拉拔力进行逼近，从而反算得到锚杆灌浆体的粘结强度和摩擦角，并将反算得到的参数替代真实参数用于数值模拟中。
　　 3.利用开挖面平衡机理确定锚杆的加固密度，从而准确地控制开挖面的挤出变形;通过对比在不同加固密度下开挖面挤出变形的大小，确定锚杆的加固范围;根据开挖面的破裂面的长度，确定锚杆的加固长度;通过对比不同刚度锚杆的加固效果，确定锚杆加固的最优轴向刚度。
　　 4.研究地下水对开挖面稳定性的影响，岩体的渗透系数相对开挖面稳定性而言具有最优值，当渗透系数等于最优值时，开挖面的挤出变形最小;水压对开挖面的稳定性是不利的，水压越大，开挖面越容易失稳。
　　 5.研究振动作用对开挖面稳定性的影响，地震波的动力作用对隧道开挖面的稳定性是不利的，不同地层的隧道，受到的影响也不同，硬岩中的隧道受到的影响很小，而软岩中的隧道受到的影响则很大，开挖面隧道开挖面在地震中极易失稳;爆破荷载会使得开挖面最大挤出变形急剧增加，从而导致开挖面失稳。
　　 6.通过数值计算结果、现场监测数据与模型试验结果的对比分析，并对模型进行破坏试验，验证了浏阳河隧道施工的安全性;岩体挤出变形有很大一部分是在岩体变成临空面之前应力释放的过程中发生的，采用不正确的量测手段（全站仪或位移计）会使得测量结果严重偏小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 隧道超前加固研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 存在的问题及研究目标

1．4 主要研究内容和方法

第2章 开挖面稳定性分类研究

2．1 引言

2．2 开挖面稳定性基本理论

2．3 数值模型简介

2．3．1 力学模型及边界条件

2．3．2 初始地应力场

2．3．3 岩体物理力学指标

2．4 开挖面稳定性定量评价指标

2．4．1 安全系数

2．4．2 屈服接近度

2．4．3 塑性剪切应变

2．5 开挖面稳定性分类

2．5．1 开挖面应力与变形

2．5．2 洞周预收敛

2．6 评判指标对比

2．7 小结

第3章 锚杆锚固参数研究

3．1 引言

3．2 锚杆的基本理论

3．3 锚杆参数反算原理

3．4 算例

3．5 验证结果

3．6 小结

第4章 超前预加固参数研究

4．1 工程背景

4．2 开挖面稳定状态

4．2．1 两种超前措施

4．2．2 加固力学原理

4．3 模型简介

4．3．1 力学模型及边界条件

4．3．2 岩体物理力学指标

4．4 短期稳定状态下加固参数研究

4．4．1 锚杆加固密度

4．4．2 锚杆加固长度

4．4．3 锚杆加固范围

4．4．4 锚杆刚度

4．5 不稳定状态下加固参数研究

4．6 小结

第5章 流固耦合作用下开挖面稳定性研究

5．1 基本理论

5．2 工程背景

5．2．1 项目简介

5．2．2 工程地质及水文地质

5．3 模型简介

5．3．1 力学模型及边界条件

5．3．2 初始地应力场

5．3．3 岩体物理力学指标

5．4 渗透系数对开挖面稳定性的影响

5．5 水位对开挖面稳定性的影响

5．6 锚杆加固效果研究

5．6．1 加固方案

5．6．2 加固效果

5．7 小结

第6章 动力作用下开挖面稳定性研究

6．1 工程背景

6．1．1 震害调查

6．1．2 工程概况

6．1．3 工程地质条件

6．2 模型简介

6．2．1 力学模型及边界条件

6．2．2 岩体物理力学指标

6．2．3 震动参数

6．3 地震震动对开挖面稳定性的影响

6．3．1 无锚杆加固开挖面动力响应规律

6．3．2 锚杆加固方案

6．3．3 加固效果

6．4 爆破震动对开挖面稳定性的影响

6．5 小结

第7章 模型实验与现场监测

7．1 模型试验

7．1．1 试验目的

7．1．2 试验原理

7．1．3 试验结果分析

7．2 施工工艺与现场监测

7．2．1 试验范围及施工组织

7．2．2 开挖面超前预加固工法施工工艺

7．2．3 开挖面超前预加固技术体系研究

7．2．4 监控量测技术

7．3 数据对比

7．4 小结

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及科研成果