隧道軟弱圍巖變形機(jī)制與控制技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)前我國大規(guī)模的隧道建設(shè)中，軟弱圍巖隧道的設(shè)計與施工難題一直困擾著廣大隧道建設(shè)者。軟弱圍巖隧道通常表現(xiàn)為圍巖變形大，甚至發(fā)生坍塌等安全事故；施工進(jìn)度緩慢，嚴(yán)重制約工程的工期。出現(xiàn)這些問題的主要原因是對隧道圍巖特別是軟弱圍巖的變形機(jī)制、發(fā)展演化規(guī)律等認(rèn)識不足，采取的控制技術(shù)與方法缺乏針對性等。針對這一系列問題，本論文對軟弱圍巖地質(zhì)特征與工程影響評價、變形機(jī)制與時空效應(yīng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作用體系、隧道軟弱圍巖變形控制技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，

2、取得了以下主要研究成果：
　　(1)系統(tǒng)總結(jié)提出隧道工程軟弱圍巖的含義；分析了軟弱圍巖的地質(zhì)特征、變形特征和強(qiáng)度特征；根據(jù)軟弱圍巖的力學(xué)特征，提出了鐵路隧道軟弱圍巖的分級標(biāo)準(zhǔn)建議，將軟弱圍巖分為軟巖Ⅰ級、軟巖Ⅱ級和軟巖Ⅲ級共三個等級。
　　(2)隧道斷面尺寸對圍巖的變形機(jī)制和變形控制基準(zhǔn)有較大影響，為方便研究軟弱圍巖隧道的變形控制對策，本文提出了鐵路隧道斷面等級和跨度分級建議，將隧道斷面分為小斷面、中斷面、大斷面和特大斷面4

3、級，將隧道跨度分為小跨度、中跨度、大跨度和特大跨度4級。
　　(3)分析提出了圍巖變形的分布規(guī)律。圍巖變形在空間上可分為三部分，即掌子面前方的超前變形、掌子面擠出變形和掌子面后方變形，這三部分變形是同時發(fā)生的。軟弱圍巖隧道變形量大、變形持續(xù)時間長、掌子面前、后方變形影響范圍大、變形速度快是軟弱圍巖隧道變形的特點(diǎn)。
　　(4)基于隧道施工過程中應(yīng)力釋放與應(yīng)力控制動態(tài)作用關(guān)系的研究，建立了由圍巖、超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌組成

4、的軟弱圍巖隧道結(jié)構(gòu)體系，并闡述了各個構(gòu)件在該結(jié)構(gòu)體系中的力學(xué)作用。支護(hù)結(jié)構(gòu)分為超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌，其中超前支護(hù)和初期支護(hù)與圍巖體共同形成承載結(jié)構(gòu)，二次襯砌僅作為安全儲備，主要承擔(dān)附加荷載和殘余變形引起的荷載。
　　(5)建立了考慮圍巖應(yīng)力釋放的隧道結(jié)構(gòu)體系理論模型，并采用數(shù)值方法驗(yàn)證了其正確性，指出為避免或盡量減小出現(xiàn)過量圍巖塑性變形，一方面要及時支護(hù)，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)施做前的圍巖應(yīng)力釋放；另一方面要使支護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的剛度

5、，尤其是早期剛度，以提供足夠的支護(hù)抗力來抵制過量圍巖塑性變形的發(fā)生。
　　(6)開挖方法和支護(hù)措施是圍巖變形控制的兩個方面，開挖使得圍巖釋放應(yīng)力，支護(hù)則是控制應(yīng)力釋放的方法，支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定是變形控制的目標(biāo)。圍巖變形控制原理就是根據(jù)圍巖變形的時空分布規(guī)律，采取合理的開挖方法和支護(hù)措施，控制掌子面前方、掌子面、以及掌子面后方變形，使圍巖變形控制在變形基準(zhǔn)值以內(nèi)，以保持圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。
　　(7)軟弱圍巖變形預(yù)測分

6、為施工前的變形預(yù)測和施工過程中的變形預(yù)測兩個階段。數(shù)值法和基于自身量測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析法是比較接近實(shí)際又便于實(shí)施的變形預(yù)測法。研究提出了我國鐵路隧道凈空位移、拱頂下沉、掌子面前方超前變形、掌子面擠出變形、掌子面后方變形速度的管理基準(zhǔn)建議。
　　(8)提出了軟弱圍巖變形控制的方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計原則。即采用超前支護(hù)，控制掌子面的超前變形和拱頂下沉；采用掌子面支護(hù)，控制掌子面擠出變形；加強(qiáng)初期支護(hù)，控制開挖掌子面后方變形；采用輔助支護(hù)措施