富水弱成砂巖隧道力學(xué)特性與支護(hù)對(duì)策研究.pdf

1、蘭渝鐵路胡麻嶺隧道在穿越富水弱成砂巖施工中出現(xiàn)了隧洞周圍巖變形大、鋼架扭曲失穩(wěn)、掌子面易坍塌、突泥涌砂等現(xiàn)象。隧道施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，成為國內(nèi)罕見、世界性難題。以此為工程依托，論文圍繞該圍巖變形特征及控制技術(shù)等難題，綜合采用理論解析、數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等多種研究手段，對(duì)隧道施工影響下富水弱成砂巖力學(xué)特性及其控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，取得的研究成果如下:
　　(1)通過室內(nèi)試驗(yàn)得到了富水弱成砂巖的各項(xiàng)物理力學(xué)特性參

2、數(shù)。結(jié)果表明:富水狀態(tài)的未成砂巖具有較低的粘聚力和滲透性;含水未成砂巖的力學(xué)性質(zhì)與其在干燥情況下極為不同，主要表現(xiàn)為其單軸抗壓強(qiáng)度含水后大幅度下降，彈性模量與粘滯系數(shù)也隨含水量增加而急劇下降。
　　(2)開展了荷載作用下的流變?cè)囼?yàn)。結(jié)果表明:其流變應(yīng)變占總應(yīng)變的40％左右;含水量不同時(shí)蠕變曲線中的瞬時(shí)應(yīng)變、初始流變應(yīng)變比例及總流變比例也不盡相同。干燥狀態(tài)下，未成砂巖初始流變占總流變變形的比例在53％左右，而含水狀態(tài)下其比例均在80

3、％以上。基于以上試驗(yàn)結(jié)果擬合了廣義開爾文蠕變方程各系數(shù)與含水量的關(guān)系;推導(dǎo)了弱成砂巖隧道圍巖與支護(hù)相互作用力的表達(dá)式。
　　(3)隧道施工影響下富水弱成砂巖容易出現(xiàn)嚴(yán)重的圍巖變形破壞。通常具有變形量大、變形發(fā)展快、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在時(shí)空效應(yīng)上具有明顯的不對(duì)稱性和不均勻性等特征。對(duì)同一斷面來說，開挖進(jìn)程中圍巖變形具有明顯的階段性，按變形速率可劃分為3個(gè)階段:急劇變形階段、穩(wěn)定變形階段和流變階段。隧道開挖后圍巖變形具有明顯時(shí)空效應(yīng)。時(shí)間效

4、應(yīng)主要發(fā)生在流變階段;空間效應(yīng)通常發(fā)生在圍巖變形的急劇變形階段;穩(wěn)定變形階段則是兩者的過渡段。
　　(4)采用地震折射層析法確定隧道施工影響下富水弱成砂巖松動(dòng)范圍。分析得出:表層波速值低于1000m/s的低速帶劃為松弛帶;中部波速值在1000m/s～2500m/s的漸變區(qū)劃為松動(dòng)帶;底部波速值低于2500m/s的相對(duì)穩(wěn)定區(qū)為未擾動(dòng)帶;各分帶之間的界限劃分主要以速度梯度帶為依據(jù)，兼顧波射線的滑行界面位置。
　　(5)基于胡麻嶺

5、富水弱成砂巖的特殊力學(xué)特性確定了運(yùn)用超前支護(hù)和加固措施。減小或避免圍巖變形、盡快使支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合、按分部順序采取分割式逐塊開挖，并要求邊挖邊撐以求安全，并輔以監(jiān)控量測(cè)措施。采用數(shù)值模擬和工程類比方法確定了胡麻嶺隧道主洞的開挖方案和斜井進(jìn)入正洞挑高段的施工方案，并進(jìn)行了優(yōu)化分析。
　　(6)利用有限元對(duì)大斷面富水弱成砂巖隧道初期支護(hù)施作時(shí)機(jī)進(jìn)行研究。分析得出:施工中應(yīng)該以控制圍巖變形為核心，在初支結(jié)構(gòu)安全的前提下，強(qiáng)調(diào)初期支護(hù)施作的及

6、時(shí)性;選取富水弱成砂巖隧道典型斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得出初支、圍巖接觸壓力具有顯著時(shí)間效應(yīng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其長(zhǎng)期流變荷載;在空間規(guī)律上，壓力分布呈現(xiàn)不均勻性。初期支護(hù)與二次襯砌之間的接觸壓力隨時(shí)間變化存在一個(gè)先增大后減小再增大，并不斷趨于穩(wěn)定的發(fā)展過程。初期支護(hù)與二次襯砌之間的接觸壓力分布并不對(duì)稱，總體上由拱頂→拱肩→拱腰→拱墻-上部→拱墻下部逐漸增大，但拱腳及拱底測(cè)值相對(duì)較小。
　　(7)胡麻嶺隧道富水弱成砂巖具有強(qiáng)度低，遇水的

7、情況下圍巖快速軟化，自穩(wěn)能力極差，易坍塌;洞身穿越處水位高經(jīng)常出現(xiàn)涌砂、突水，沉降大、初支變形等現(xiàn)象;圍巖顆粒細(xì)小，具有水敏性，富水未固結(jié)的情況下具有振動(dòng)液化現(xiàn)象等工程特性。通過大量的方案論證、工藝試驗(yàn)，最后形成以臺(tái)階分部輕型井點(diǎn)降水、深孔負(fù)壓降水為主的綜合降水技術(shù)，鑒于水通道或局部囊狀流塑狀圍巖采用雙液回退劈裂注漿技術(shù)。經(jīng)過工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，兩種輔助施工技術(shù)基本上解決了該套地層圍巖穩(wěn)定問題，有效的控制了圍巖變形，在確保施工安全前提下保證了