卵礫石地層大跨淺埋隧道穩(wěn)定性與植物加筋作用研究.pdf

1、通常情況下，巖石或土層之中隧道工程已積累了較多的施工技術與經驗。對于性質介于碎裂巖體和均質土體之間的卵礫石地層隧道，國內外都沒有太多的工程案例，相關的設計施工技術與經驗比較缺乏，理論研究更不多見。因此，系統(tǒng)地分析卵礫石土的工程特性，探討此種特殊地質條件下大跨淺埋公路隧道設計、施工的關鍵技術，對實際工程具有很好的指導意義。 本文以江蘇省寧(南京)常(州)高速公路茅山西隧道為工程背景，在現(xiàn)場地質調查、原位大型試驗、隧道施工過程監(jiān)控量

2、測的基礎上，采用數(shù)值模擬和理論分析相結合的研究方法，針對低山丘陵區(qū)地形復雜、地表植被豐富的卵礫石地層大跨淺埋公路隧道施工安全穩(wěn)定的關鍵問題開展了系統(tǒng)深入的研究。主要研究內容和成果總結如下： (1)基于現(xiàn)場地質調查和室內外試驗的成果，系統(tǒng)分析了茅山西隧道卵礫石土工程地質特性。通過現(xiàn)場地質調查，結合室內篩分試驗成果，探明了卵礫石土的物質組成、粒徑大小、顆粒級配及其分布狀況：通過現(xiàn)場大型直剪試驗，獲得了卵礫石土的抗剪強度指標；粘質膠結

3、的卵礫石土具有明顯的峰值強度和殘余強度；其粘聚力較低，而內摩擦角較高：初步探討了卵礫石地層隧道圍巖分級標準及其開挖支護參數(shù)，分析了卵礫石地層隧道變形破壞模式；根據卵礫石土工程地質特征，確定數(shù)值模擬方法所采用的計算模型和地質參數(shù)。 (2)在隧道穿越卵礫石土地段，選取典型斷面，建立偏壓地形大跨淺埋公路隧道的三維計算模型；以設計支護參數(shù)，分別采用臺階法和分部開挖法以不同開挖方式、不同開挖順序來模擬隧道的施工過程；通過對計算結果的對比分

4、析，綜合考慮施工過程的圍巖穩(wěn)定和支護結構的安全，確定卵礫石地層偏壓地形大跨淺埋公路隧道的合理開挖方案：拱部超前預支護輔助措施下、先從淺埋拱部斷面開挖支護的上半斷面臨時中隔墻四分部法。 (3)針對卵礫石地層偏壓地形大跨淺埋公路隧道采用上半斷面臨時中隔墻四分部法的施工過程進行了穩(wěn)定分析，總結了施工過程中嗣巖和支護結構的位移和應力變化規(guī)律，提出了旌工過程中應該注意和需要加強的局部部位及其施工對策；將數(shù)值計算結果與茅山西隧道相應斷面實際

5、施工過程監(jiān)測數(shù)據進行對比分析，結果有較好的一致性。 (4)明確最小安全凈距的基本概念，提出以圍巖豎向位移和最小主應力以及初期支護最小主應力隨凈距減小是否發(fā)生突變、并結合中間巖柱是否出現(xiàn)塑性區(qū)綜合確定最小安全凈距的新方法；在此基礎上，選取典型分析斷面，考慮實際地形條件，分別以2.0B、1.5B、1.0B、0.75B、0.5B、0.3B(B為隧道開挖跨度)共6種不同凈距建立雙洞隧道的三維計算模型，采用普通分離式隧道設計支護參數(shù)和上半

6、斷面臨時中隔墻四分部法對施工過程進行數(shù)值模擬，通過對計算結果的對比分析，確定不對稱地形條件下卵礫石地層大跨淺埋公路隧道的最小安全凈距為隧道開挖跨度的0.75倍。 (5)系統(tǒng)總結了植物根系加筋機理的國內外研究成果，根據根系加筋的力學模型明確了根系加筋的計算方法。針對不同類型植物根系的幾何形態(tài)和分布特征，基于根系的抗拉強度和根土之間的接觸摩擦效應，討論了淺根的加筋作用和深根的錨同作用：并明確了淺根加筋和深根錨固效應的計算方法，即淺根

7、的加筋作用可以通過提高根土復合體的強度指標來等效處理，而深根的錨固作用在數(shù)值模擬過程中采用全長粘結型錨索來模擬。 (6)考慮不同類型植物根系的力學加筋作用效果，探討了植物根系的加筋作用對軟弱巖體大跨淺埋公路隧道施工穩(wěn)定的影響。結果表明：一定含量植物根系的淺層加筋作用和合理間距木本植物主根、側根、須根的聯(lián)合加筋效果對淺埋隧道施工穩(wěn)定能夠產生有利影響；而單純主根型的木本植物根系加筋的影響效果不明顯；植物根系的加筋作用對淺埋隧道施工穩(wěn)