長大隧道穿越斷層區(qū)施工力學(xué)特征及施工優(yōu)化方法研究.pdf

1、我國山區(qū)面積大，約占國土面積的2/3。隨著我國陸地交通的快速發(fā)展，在進(jìn)行鐵路、公路的建設(shè)時(shí)，需要修建較多的山嶺隧道，其中長大隧道占相當(dāng)大的比例，而許多長大隧道也不可避免的要通過斷層區(qū)。長大隧道穿越斷層區(qū)施工時(shí)常出現(xiàn)大變形、坍塌等災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工安全和施工進(jìn)度，這主要是由于對(duì)隧道穿越斷層區(qū)的施工力學(xué)特性認(rèn)識(shí)不足造成的。斷層區(qū)圍巖作為一種特殊的軟巖，隧道施工過程中受時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)影響，其初期支護(hù)、二次襯砌有其特有的工程力學(xué)特性。對(duì)斷層

2、區(qū)隧道施工的力學(xué)特性，施工參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行研究是很有必要的。本文依托鐵道部科技研究開發(fā)項(xiàng)目(編號(hào)2008G030-D號(hào))和中國中鐵總公司重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)2009重點(diǎn)17號(hào))“高海拔低氣壓地區(qū)特長鐵路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究”，以關(guān)角特長鐵路隧道穿越斷層區(qū)的9＃工區(qū)施工為研究對(duì)象，對(duì)隧道穿越斷層區(qū)的施工力學(xué)特征和施工優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括：
　　(1)在斷層區(qū)隧道施工力學(xué)特征研究中，首先對(duì)關(guān)角隧道9＃工區(qū)的勘察、設(shè)計(jì)資料進(jìn)行收集

3、整理，對(duì)9＃工區(qū)右線施工現(xiàn)場的圍巖實(shí)際情況、地下水情況和施工過程進(jìn)行調(diào)查，并以此為基礎(chǔ)提出了斷層區(qū)圍巖劃分的定性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；
　　(2)在已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出了斷層區(qū)開挖過程中圍巖位移隨時(shí)間，空間變化的方程，選取關(guān)角隧道斷層區(qū)開挖過程的量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明所提出的方法可以反映隧道開挖過程的時(shí)空效應(yīng)；利用計(jì)算結(jié)果對(duì)斷層區(qū)隧道開挖的時(shí)空效應(yīng)特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為斷層區(qū)圍巖等效模量調(diào)整時(shí)間較長，導(dǎo)致隧道拱頂下沉和水平收斂達(dá)不到規(guī)

4、范規(guī)定的二次襯砌施作要求；水平和垂直位移釋放系數(shù)發(fā)展并不一致；隧道開挖對(duì)掌子面前后2倍洞徑范圍內(nèi)的圍巖影響較大，這與其他工程數(shù)值分析法研究的結(jié)論較為一致；
　　(3)以提出的圍巖位移時(shí)空效應(yīng)方程，提出了隧道開挖循環(huán)進(jìn)尺的優(yōu)化原理和優(yōu)化方法，分析了其適用范圍。利用提出的隧道開挖循環(huán)進(jìn)尺的優(yōu)化原理和優(yōu)化方法對(duì)關(guān)角隧道斷層區(qū)的開挖進(jìn)尺進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)踐證明該方法可以用于指導(dǎo)工程實(shí)踐；對(duì)開挖進(jìn)尺和圍巖位移的關(guān)系進(jìn)行了研究，研究表明①量測(cè)斷面

5、距掌子面距離相同的條件下，循環(huán)進(jìn)尺越大，總水平收斂和拱頂下沉值越小，但水平收斂拱頂下沉速率隨著開挖進(jìn)尺的增大而增大，即大的循環(huán)進(jìn)尺可以減少總的位移和收斂，但增加了單次循環(huán)的風(fēng)險(xiǎn)。這也解釋了軟弱圍巖隧道開挖“短進(jìn)尺，快通過”的合理性；②最大拱項(xiàng)沉降和水平收斂速率不一定緊跟著出現(xiàn)在掌子面后方，一般出現(xiàn)在掌子面后方1倍洞徑范圍內(nèi)。
　　(4)通過斷層區(qū)隧道圍巖-初期支護(hù)應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)力、錨桿軸力的現(xiàn)場監(jiān)測(cè)，斷層區(qū)內(nèi)隧道拱部圍巖.初期支護(hù)

6、接觸應(yīng)力、鋼架受力遠(yuǎn)大于邊墻、仰拱；斷層影響帶及破碎帶內(nèi)圍巖應(yīng)力釋放較快，開挖施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大，其中上斷面開挖影響>下斷面開挖影響>仰拱開挖影響；
　　(5)將隧道初期支護(hù)噴射混凝土和鋼拱架等效為復(fù)合體作為一種單元和將設(shè)置鋼拱架和噴射混凝土部位分別作為不同參數(shù)的結(jié)構(gòu)單元建立數(shù)值模型，采用這兩種建模方法分別對(duì)斷層影響帶隧道結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行分析，將隧道初期支護(hù)設(shè)置鋼拱架部位和噴射混凝土部位分別采用不同的參數(shù)計(jì)算，有助于了解初期支護(hù)的

7、受力情況并對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估和參數(shù)優(yōu)化；基于提出的優(yōu)化步驟對(duì)關(guān)角隧道F3斷層影響帶的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)踐證明優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)在經(jīng)濟(jì)和實(shí)際操作上均是可行的，同時(shí)也證明了該方法具有可行性；
　　(6)對(duì)斷層區(qū)二次襯砌結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得出二次襯砌結(jié)構(gòu)是受力的，其初期支護(hù)-二次襯砌接觸應(yīng)力的發(fā)展大致可分為四個(gè)階段，即快速增長階段、穩(wěn)定增長階段、應(yīng)力調(diào)整階段和穩(wěn)定階段。采用F1ac3D軟件建立隧道軸線和不同傾角斷層走向正交的