千枚巖隧道擠壓性大變形機(jī)理及控制技術(shù)研究.pdf

1、在高地應(yīng)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(shí)間長，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形強(qiáng)烈乃至破壞，嚴(yán)重影響工程工期和隧道結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定，是世界隧道建設(shè)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(yīng)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(duì)該類隧道的圍巖變形機(jī)制及其演化規(guī)律等認(rèn)識(shí)不足，采取的控制技術(shù)缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)。針對(duì)上述問題，本文依托在建成（成都）蘭（蘭州）鐵路茂縣隧道，對(duì)擠壓性大變形

2、隧道的圍巖工程特性、擠壓性大變形機(jī)理、圍巖變形及支護(hù)受力規(guī)律、變形控制技術(shù)進(jìn)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(gòu)造發(fā)育，地應(yīng)力復(fù)雜，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)面與隧道軸線大角度相交。隧道埋深大，地應(yīng)力高，圍巖軟弱破碎，擠壓現(xiàn)象嚴(yán)重?；诘刭|(zhì)評(píng)價(jià)，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(jìn)一步研究了絹云母千枚巖的流變特性，推導(dǎo)了基于

3、統(tǒng)一流變模型的巖石流變?cè)囼?yàn)解析解，結(jié)合MATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種流變模型參數(shù)的辨識(shí)方法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜流變模型的多參數(shù)辨識(shí)。
　　(2)通過調(diào)研與現(xiàn)場測試，總結(jié)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(shí)間長，圍巖破壞范圍大，掌子面擠出現(xiàn)象突出，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重且形式多樣。導(dǎo)致這些特征產(chǎn)生的主要因素是地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地應(yīng)力高、巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育、圍巖強(qiáng)度低、圍巖流變特性顯著、水。通過理論分析，推導(dǎo)了基于Burge

4、rs模型的圓形隧道粘彈塑性解，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算及圍巖松動(dòng)圈測試，分析了圍巖的破壞機(jī)制及大變形機(jī)理。
　　(3)通過現(xiàn)場測試，研究了圍巖變形及支護(hù)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(jī)理。采用本文提出的“支護(hù)結(jié)構(gòu)自適應(yīng)建模法”對(duì)隧道雙層支護(hù)的作用效果進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，進(jìn)一步分析了雙層支護(hù)體系對(duì)圍巖流變作用的控制效果。對(duì)于擠壓性大變形隧道，應(yīng)以“空間”換“時(shí)間”，通過前期位移釋放，降低流變壓力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)以“

5、讓抗結(jié)合，柔剛相濟(jì)，組合圍巖，共同承載”的手段進(jìn)行大變形控制。
　　(4)通過1∶1的試驗(yàn)洞進(jìn)行初期支護(hù)的對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)圍巖變形、支護(hù)受力進(jìn)行了長達(dá)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(hù)對(duì)圍巖擠壓性大變形的控制效果，總結(jié)了雙層網(wǎng)噴鋼架、長短組合錨桿的支護(hù)作用機(jī)理，提出了鋼架分層、分次施作;錨桿長短結(jié)合，短錨桿及早施作;三臺(tái)階預(yù)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(shù)。
　　(5)在研究傳統(tǒng)“圍巖