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(shù)與經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于性質(zhì)介于碎裂巖體和均質(zhì)土體之間的卵礫石地層隧道，國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有太多的工程案例，相關(guān)的設(shè)計(jì)施工技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)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(zhì)條件下大跨淺埋公路隧道設(shè)計(jì)、施工的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)實(shí)際工程具有很好的指導(dǎo)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(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、原位大型試驗(yàn)、隧道施工過(guò)程監(jiān)控量

2、測(cè)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的研究方法，針對(duì)低山丘陵區(qū)地形復(fù)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(guān)鍵問(wèn)題開展了系統(tǒng)深入的研究。主要研究?jī)?nèi)容和成果總結(jié)如下： (1)基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)外試驗(yàn)的成果，系統(tǒng)分析了茅山西隧道卵礫石土工程地質(zhì)特性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合室內(nèi)篩分試驗(yàn)成果，探明了卵礫石土的物質(zhì)組成、粒徑大小、顆粒級(jí)配及其分布狀況：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)，獲得了卵礫石土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；粘質(zhì)膠結(jié)

3、的卵礫石土具有明顯的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度；其粘聚力較低，而內(nèi)摩擦角較高：初步探討了卵礫石地層隧道圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及其開挖支護(hù)參數(shù)，分析了卵礫石地層隧道變形破壞模式；根據(jù)卵礫石土工程地質(zhì)特征，確定數(shù)值模擬方法所采用的計(jì)算模型和地質(zhì)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(jì)算模型；以設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，分別采用臺(tái)階法和分部開挖法以不同開挖方式、不同開挖順序來(lái)模擬隧道的施工過(guò)程；通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分

4、析，綜合考慮施工過(guò)程的圍巖穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)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(yù)支護(hù)輔助措施下、先從淺埋拱部斷面開挖支護(hù)的上半斷面臨時(shí)中隔墻四分部法。 (3)針對(duì)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(shí)中隔墻四分部法的施工過(guò)程進(jìn)行了穩(wěn)定分析，總結(jié)了施工過(guò)程中嗣巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化規(guī)律，提出了旌工過(guò)程中應(yīng)該注意和需要加強(qiáng)的局部部位及其施工對(duì)策；將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與茅山西隧道相應(yīng)斷面實(shí)際

5、施工過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)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(yīng)力以及初期支護(hù)最小主應(yīng)力隨凈距減小是否發(fā)生突變、并結(jié)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(chǔ)上，選取典型分析斷面，考慮實(shí)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(jì)算模型，采用普通分離式隧道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)和上半

6、斷面臨時(shí)中隔墻四分部法對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，確定不對(duì)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(jié)了植物根系加筋機(jī)理的國(guó)內(nèi)外研究成果，根據(jù)根系加筋的力學(xué)模型明確了根系加筋的計(jì)算方法。針對(duì)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(qiáng)度和根土之間的接觸摩擦效應(yīng)，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(yīng)的計(jì)算方法，即淺根

7、的加筋作用可以通過(guò)提高根土復(fù)合體的強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)等效處理，而深根的錨固作用在數(shù)值模擬過(guò)程中采用全長(zhǎng)粘結(jié)型錨索來(lái)模擬。 (6)考慮不同類型植物根系的力學(xué)加筋作用效果，探討了植物根系的加筋作用對(duì)軟弱巖體大跨淺埋公路隧道施工穩(wěn)定的影響。結(jié)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(cè)根、須根的聯(lián)合加筋效果對(duì)淺埋隧道施工穩(wěn)定能夠產(chǎn)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(duì)淺埋隧道施工穩(wěn)