淺埋大跨膨脹土隧道變形機理及支護力學行為研究.pdf

1、為了緩解日益緊張的交通運輸壓力，我國掀起了大力建設(shè)鐵路、公路的浪潮，穿越不良地質(zhì)段的隧道工程日益增多，并且隨著鐵路及公路建設(shè)技術(shù)標準的提高，不可避免地出現(xiàn)了大量的淺埋大跨膨脹土隧道。由于膨脹性圍巖吸水膨脹-失水收縮的特性，導(dǎo)致在隧道施工過程常常出現(xiàn)圍巖惡化情況，使圍巖和支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形，甚至破壞，造成了一系列的安全事故，給工程質(zhì)量、進度控制帶來了極大困難。鑒于膨脹土膨脹機理及工程特性的復(fù)雜性，目前膨脹性圍巖隧道的設(shè)計和施工還沒有成熟

2、的原則和方法，其仍是隧道工程設(shè)計建設(shè)中的重大難題之一。因此開展膨脹性圍巖隧道，尤其是淺埋大跨膨脹土隧道變形機理及支護力學行為研究具有重要的現(xiàn)實意義。
　　論文以中國中鐵總公司項目“鐵路淺埋大跨強膨脹土隧道關(guān)鍵技術(shù)研究”(重大-18-2011)為背景，依托云南呈貢隧道工程，針對淺埋大跨膨脹土隧道變形機理及支護力學行為，采用理論分析、解析公式推導(dǎo)、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法，展開了系統(tǒng)性研究，主要成果和結(jié)論如下:

3、　　(1)采用有荷側(cè)限膨脹試驗（試樣充分吸水后），建立了膨脹力與不用初始條件（不同干密度和不同初始含水量）多項相關(guān)關(guān)系，解決了以往公式中膨脹力與干密度、初始含水量單一的數(shù)學關(guān)系;建立了一定干密度情況下，膨脹率與上覆荷載和含水量的關(guān)系。采用直剪試驗對膨脹土抗剪強度與含水量的關(guān)系進行了分析，擬合得到了剪應(yīng)力與上覆荷載和初始含水量的關(guān)系曲線。
　　(2)基于改進的三軸試驗，提出了一種膨脹土試樣在三向應(yīng)力作用下膨脹土體積膨脹率與“過程含水

4、量”關(guān)系曲線的測定方法，使得室內(nèi)試驗和工程實際達到較好吻合，對研究膨脹土的力學行為具有更好的科學性和合理性。
　　(3)基于彈性力學原理，推導(dǎo)得到了深淺埋隧道圍巖在不同膨脹條件下，隧道支護結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力及變形的解析解。從理論上分析判明隨圍巖膨脹率和結(jié)構(gòu)支護剛度變化時，支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形分布規(guī)律，可為膨脹土隧道設(shè)計階段相關(guān)參數(shù)擬定以及施工階段采取應(yīng)對措施提供一定理論依據(jù)。
　　(4)基于淺埋隧道掌子面失穩(wěn)的“一般”破壞模式，采用

5、塑性極限分析上限定理，首次建立了淺埋膨脹土隧道掌子面極限支護力的上限解;分析了掌子面水平支護力影響因素，提出在淺埋條件下隧道埋深是影響掌子面水平支護力的首要因素;本研究成果可為淺埋膨脹土隧道掌子面加固（如掌子面錨桿加固）設(shè)計提供理論依據(jù)。
　　(5)針對淺埋膨脹土隧道掌子面錨桿加固設(shè)計，通過大量室內(nèi)粘結(jié)性能試驗，獲得了玻璃纖維筋(GFRP)錨固性能指標參數(shù)及其影響因素;采用數(shù)力方法，推導(dǎo)得到了錨桿的剪切剛度解析解，并且根據(jù)室內(nèi)試驗

6、結(jié)果對該解析解進行了修正;在上述研究成果基礎(chǔ)上，采用理論和數(shù)值分析相結(jié)合的方法對玻璃纖維筋加固長度、根數(shù)及范圍等對掌子面加固效果進行量化研究，得到合理的玻璃纖維筋掌子面加固參數(shù)。
　　(6)采用三維有限差分方法，研究施工過程中膨脹土隧道開挖卸荷引起圍巖應(yīng)力和變形規(guī)律、支護結(jié)構(gòu)荷載分布形式及受力特性、掌子面變形及穩(wěn)定性，對比分析了管棚+上下臺階法、管棚+上下臺階留核心土法和管棚+全斷面+掌子面錨桿法三種開挖方法的優(yōu)缺點，確定淺埋大跨

7、膨脹土隧道施工的合理開挖方法，并針對膨脹土隧道施工穩(wěn)定性問題提出相應(yīng)防治措施。
　　(7)建立了基于η—ω關(guān)系曲線以及土水特征曲線連成作用下的膨脹土隧道圍巖吸水膨脹力學模型;并通過ABAQUS有限元數(shù)值分析，探明了“膨壓效應(yīng)”影響下淺埋大跨隧道圍巖膨脹前后支護結(jié)構(gòu)變形和受力特性，確定出膨脹范圍，合理評價了淺埋膨脹土隧道圍巖吸水膨脹對支護結(jié)構(gòu)的影響。
　　(8)基于依托工程隧道多斷面現(xiàn)場試驗，研究膨脹土地層圍巖及隧道襯砌結(jié)構(gòu)受