富水强风化花岗岩地层浅埋大跨隧道施工地层变形机理研究

摘要

随着我国城市地下交通工程的迅速发展，相应出现了诸多新的施工技术问题急需解决：一方面，大断面隧道不断涌现，而受城市环境的限制，施工引起的地面沉陷往往有严格的控制要求；另一方面，针对不同区域的地质条件，施工时采取的处理措施各不相同。本文以厦门机场线(仙岳路～演武大桥)JC3标浅埋暗挖隧道为背景，利用理论分析、室内土工试验、数值模拟和现场实际施工验证等相结合的方法，对在广泛分布于我国东南沿海的富水强风化花岗岩地层中修建的国内文献中未见报道的大断面小间距隧道施工地层变形机理及控制技术进行了专门研究，成功的指导了施工，并可以在以后的工程中推广应用。通过综合技术研究，取得以下研究成果： (1)对浅埋暗挖隧道上覆地层结构特征进行理论分析，指出控制地层变形的前提是对其力学特性进行充分研究；核心是对已开挖段提供及时的变形约束和对掌子面前方破裂段实施超前预变形约束。 (2)研究了强风化花岗岩的物理力学特性。结果表明，其整体抗剪强度较差。试样在含水率较低时(<14％)，内摩擦角较大而粘聚力很低；随着试样含水率的增加，粘聚力将显著增加，而内摩擦角变化并不明显，直至接近塑限(19％～20％)；当试样含水率超过塑限后，由于内部孔隙贯通，导致内摩擦角急剧降低，抗剪强度变差，而这时的粘聚力变化则并不明显；其在水中的崩解过程分为缓慢剥落、块状崩落、整体崩解三个阶段；并根据实验结果分析了富水强风化花岗岩地层堵水加固的机理及措施。 (3)数值模拟分析了隧道几种开挖顺序对地表沉降的影响，指出小间距隧道采用CRD法施工时，将远离中隔岩柱的导洞同时开挖，对地表的最终沉降影响比左右洞分别开挖略有增加，但只要支护得当，地面沉降仍可控制在允许范围内，同时能显著提高施工进度。 (4)数值模拟分析了隧道开挖的空间效应。通过全断面注浆，不仅能够控制掌子面的稳定性，而且能够显著降低地表沉降，这也证实了理论分析的结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1绪论

1.1问题的提出

1.2研究现状

1.2.1风化花岗岩物理特性研究现状

1.2.2浅埋隧道地层稳定性研究现状

1.2.3大断面小间距隧道的研究现状

1.3所依托的工程背景

1.4本论文的研究内容及方法

1.4.1本论文的研究内容

1.4.2本论文的研究思路

2浅埋隧道上覆地层变形力学原理

2.1隧道围岩的应力分析

2.1.1隧道开挖后围岩的应力状态

2.1.2隧道支护后围岩的应力状态

2.2浅埋隧道上覆地层径向结构模型

2.2.1浅埋隧道围岩压力荷载

2.2.2地层径向结构模型的建立

2.2.3关于径向结构模型的认识

2.3浅埋隧道上覆地层纵向结构模型

2.3.1地层纵向结构模型的建立

2.3.2关于纵向结构模型的认识

2.4浅埋暗挖隧道地层结构稳定的影响因素

2.5本章结论

3富水强风化花岗岩地层工程特性及加固机理研究

3.1概述

3.2强风化花岗岩物理力学特性试验

3.2.1试验的目的和意义

3.2.2试验内容

3.2.3试验结果及数据分析

3.2.4小结

3.3富水强风化花岗岩地层堵水加固机理及措施

3.3.1堵水加固的基本原则

3.3.2洞内注浆堵水加固机理及措施

3.3.3掌子面加固措施

3.3.4洞内排水措施

3.4本章结论

4大跨隧道关键步序施工优化数值模拟分析

4.1概述

4.2数值模拟的基本理论及模型的建立

4.2.1数值模拟的求解方法

4.2.2围岩力学模型的选择

4.2.3地应力场及释放荷载计算

4.2.4材料的力学模型及力学参数

4.3隧道不同开挖顺序的计算结果及分析

4.3.1不同开挖顺序的计算结果

4.3.2计算结果比较及分析

4.4隧道开挖空间效应计算结果及分析

4.5本章结论

5现场监测结果及分析

5.1隧道施工方案

5.1.1洞内堵水加固方案

5.1.2隧道开挖及支护方法

5.2现场监测内容及测点布置原则

5.3监测结果分析

5.3.1隧道上方地表沉降

5.3.2拱顶下沉及周边收敛

5.4本章结论

6结论与展望

6.1主要结论

6.2展望

参考文献

作者简历