隧道軟弱圍巖變形機制與控制技術研究.pdf

1、當前我國大規(guī)模的隧道建設中，軟弱圍巖隧道的設計與施工難題一直困擾著廣大隧道建設者。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；施工進度緩慢，嚴重制約工程的工期。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制、發(fā)展演化規(guī)律等認識不足，采取的控制技術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特征與工程影響評價、變形機制與時空效應、支護結構與圍巖作用體系、隧道軟弱圍巖變形控制技術等進行了系統(tǒng)深入研究，

2、取得了以下主要研究成果：
　　(1)系統(tǒng)總結提出隧道工程軟弱圍巖的含義；分析了軟弱圍巖的地質特征、變形特征和強度特征；根據(jù)軟弱圍巖的力學特征，提出了鐵路隧道軟弱圍巖的分級標準建議，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制和變形控制基準有較大影響，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。
　　(4)基于隧道施工過程中應力釋放與應力控制動態(tài)作用關系的研究，建立了由圍巖、超前支護、初期支護和二次襯砌組成

4、的軟弱圍巖隧道結構體系，并闡述了各個構件在該結構體系中的力學作用。支護結構分為超前支護、初期支護和二次襯砌，其中超前支護和初期支護與圍巖體共同形成承載結構，二次襯砌僅作為安全儲備，主要承擔附加荷載和殘余變形引起的荷載。
　　(5)建立了考慮圍巖應力釋放的隧道結構體系理論模型，并采用數(shù)值方法驗證了其正確性，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，減小支護結構施做前的圍巖應力釋放；另一方面要使支護結構具有一定的剛度

5、，尤其是早期剛度，以提供足夠的支護抗力來抵制過量圍巖塑性變形的發(fā)生。
　　(6)開挖方法和支護措施是圍巖變形控制的兩個方面，開挖使得圍巖釋放應力，支護則是控制應力釋放的方法，支護結構和圍巖的穩(wěn)定是變形控制的目標。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值以內，以保持圍巖和隧道結構的長期穩(wěn)定。
　　(7)軟弱圍巖變形預測分

6、為施工前的變形預測和施工過程中的變形預測兩個階段。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際又便于實施的變形預測法。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建議。
　　(8)提出了軟弱圍巖變形控制的方法和支護結構設計原則。即采用超前支護，控制掌子面的超前變形和拱頂下沉；采用掌子面支護，控制掌子面擠出變形；加強初期支護，控制開挖掌子面后方變形；采用輔助支護措施