千枚巖隧道擠壓性大變形機理及控制技術研究.pdf

1、在高地應力軟巖地層中開挖隧道，易引發(fā)圍巖發(fā)生擠壓性大變形，表現(xiàn)為圍巖變形量大、變形時間長，支護結構變形強烈乃至破壞，嚴重影響工程工期和隧道結構長期穩(wěn)定，是世界隧道建設中的重大難題之一。出現(xiàn)這些問題的客觀因素是隧道的賦存環(huán)境，高地應力環(huán)境下的軟巖自穩(wěn)能力差、流變特性顯著;而主觀因素則是對該類隧道的圍巖變形機制及其演化規(guī)律等認識不足，采取的控制技術缺乏系統(tǒng)的理論指導。針對上述問題，本文依托在建成（成都）蘭（蘭州）鐵路茂縣隧道，對擠壓性大變形

2、隧道的圍巖工程特性、擠壓性大變形機理、圍巖變形及支護受力規(guī)律、變形控制技術進行了研究，得出的主要成果如下:
　　(1)根據(jù)資料調(diào)研，明確了茂縣隧道穿越的軟巖地層巖性以絹云母千枚巖為主，所處環(huán)境地質(zhì)構造發(fā)育，地應力復雜，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體結構面與隧道軸線大角度相交。隧道埋深大，地應力高，圍巖軟弱破碎，擠壓現(xiàn)象嚴重?；诘刭|(zhì)評價，分析了絹云母千枚巖的礦物成分、水理特性及變形破壞特性，并進一步研究了絹云母千枚巖的流變特性，推導了基于

3、統(tǒng)一流變模型的巖石流變試驗解析解，結合MATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡，提出了一種流變模型參數(shù)的辨識方法，可實現(xiàn)復雜流變模型的多參數(shù)辨識。
　　(2)通過調(diào)研與現(xiàn)場測試，總結千枚巖隧道擠壓性大變形的主要特征為圍巖變形量大、速率快、持續(xù)時間長，圍巖破壞范圍大，掌子面擠出現(xiàn)象突出，支護結構破壞嚴重且形式多樣。導致這些特征產(chǎn)生的主要因素是地質(zhì)構造復雜、地應力高、巖體結構發(fā)育、圍巖強度低、圍巖流變特性顯著、水。通過理論分析，推導了基于Burge

4、rs模型的圓形隧道粘彈塑性解，并結合數(shù)值計算及圍巖松動圈測試，分析了圍巖的破壞機制及大變形機理。
　　(3)通過現(xiàn)場測試，研究了圍巖變形及支護受力的發(fā)展規(guī)律，分析了錨桿與鋼架在擠壓性大變形隧道中的作用機理。采用本文提出的“支護結構自適應建模法”對隧道雙層支護的作用效果進行數(shù)值計算，進一步分析了雙層支護體系對圍巖流變作用的控制效果。對于擠壓性大變形隧道，應以“空間”換“時間”，通過前期位移釋放，降低流變壓力對支護結構的影響，同時以“

5、讓抗結合，柔剛相濟，組合圍巖，共同承載”的手段進行大變形控制。
　　(4)通過1∶1的試驗洞進行初期支護的對比試驗，對圍巖變形、支護受力進行了長達900d的現(xiàn)場監(jiān)測，研究了不同形式的鋼架、錨桿等初期支護對圍巖擠壓性大變形的控制效果，總結了雙層網(wǎng)噴鋼架、長短組合錨桿的支護作用機理，提出了鋼架分層、分次施作;錨桿長短結合，短錨桿及早施作;三臺階預留核心土并掌子面注漿加固的軟巖隧道擠壓性大變形控制技術。
　　(5)在研究傳統(tǒng)“圍巖