高原高寒隧道震后圍巖凍脹行為及施工對策研究.pdf

1、目前我國已在凍土地區(qū)修建了較多隧道工程，但凍土地區(qū)隧道凍害理論尚不完善。主要表現(xiàn)在，對凍土隧道施工中普遍關心的氣候特征、圍巖溫度場的監(jiān)測以及隧道凍脹變形關注的較少，且大多研究均以多年凍土為背景，對季節(jié)性凍土的研究較少。同時我國現(xiàn)有的隧道設計規(guī)范中并未考慮震后松動巖體對隧道圍巖壓力和凍害的影響，對震后巖體工程特性也未提及，論文將這一問題作為新的研究方向單獨提了出來。本文以新建蘭新鐵路金瑤嶺隧道、元山隧道和川西高原汶-馬高速鷓鴣山隧道以及5

2、.12地震災區(qū)唐家山隧道為工程依托，結合實驗室試驗和現(xiàn)場測試，采用理論分析和數(shù)值模擬等方法，就上述問題展開了研究，主要研究內容和成果體現(xiàn)在以下幾個方面:
　　(1)通過對高原環(huán)境氣候監(jiān)測，得到了寒區(qū)氣溫年變化規(guī)律以及凍土凍結深度變化規(guī)律;通過微觀結構掃描電鏡分析，揭示了凍脹對巖石微觀結構的劣化損傷;同時泥巖的單軸抗壓強度試驗表明，凍脹對巖體的力學性質有較大的影響。
　　(2)基于長期的現(xiàn)場測試和有限差分軟件探討了不同季節(jié)的圍

3、巖溫度變化規(guī)律，得到了不同條件下的圍巖最大凍結深度;分析得出不同徑向深度的圍巖溫度受環(huán)境變化影響程度有所不同，其溫度變化趨勢也并不協(xié)調一致。
　　(3)通過歸納總結巖石及圍巖-支護體系的凍脹變形機理，建立了寒區(qū)隧道凍脹變形的綜合分析方法。利用有限差分軟件FLAC3D得到了季節(jié)性凍土隧道圍巖凍結鋒面的擴展規(guī)律。在持續(xù)低溫作用下，凍結鋒面由洞壁向深處逐漸擴展，其發(fā)展規(guī)律與凍結時間和凍結溫度密切相關，凍結時間越長、溫度越低，鋒面推進速率

4、越快、最終推進深度也就越大，在-15℃環(huán)境氣溫下，凍結速率為5cm/d。
　　(4)利用有限差分軟件FLAC3D，探討了不同凍結條件下的圍巖穩(wěn)定性。凍結溫度越低、寒季暴露時間越長，圍巖凍脹變形就越大。此外凍脹變形還與該斷面的初始開挖時間有關，開挖斷面在寒季到來前存儲的熱能越大，圍巖發(fā)生的凍脹變形也就越小。實際工程應用中，應盡量控制圍巖暴露在低溫環(huán)境中的時間，并盡量選擇在暖季進行易受凍脹影響段的開挖工作。
　　(5)基于波動理

5、論和摩爾庫倫破壞準則，推導了地震動力影響下，地表巖體破壞深度的解析公式，并根據(jù)該公式分析了5.12汶川地震中不同烈度區(qū)的巖體破壞深度?？偨Y了震后松動巖體的工程特性，其主要表現(xiàn)為巖體結構松散、彈性波速低、滲透系數(shù)大，RQD普遍在30％以下，彈性縱波速波速普遍在3000m/s以下，巖體滲透系數(shù)最大達1.41 E-02cm/s，最小為9.26E-05cm/s，其最小值尚比受地震影響較小的巖體最大滲透系數(shù)高出一個數(shù)量級。
　　(6)考慮巖

6、體彈性波速和密度，提出了松動巖體的判定和分級標準。將密度降低幅度a＞7％，巖體縱波波速Vp≤3000m/s，作為5.12地震震后巖體松動判定標準，同時以密度降幅每增加5％為一個等級，將松動巖體劃分為三個等級，即:(1)輕微松動（2500m/s＜Vp＜3000m/s，7.4％＜a＜13％）;(2)中等松動(2000m/s＜Vp＜2500m/s，13％＜a＜18％);(3)強烈松動(Vp＜2000m/s，a＞18％)。
　　(7)提出

7、了不同松動等級巖體深度的兩種確定方法:一是，通過巖體波速測試，分析其縱波波速和密度所對應的區(qū)間范圍來確定。二是，參照以往研究成果，根據(jù)不同松動等級巖體在深度上所占比例，結合5.2節(jié)所推導的地震力對巖體破壞深度的計算公式來確定。同時，本文采用第二種方法計算得出了汶川地震震后不同松動等級巖體的深度范圍。
　　(8)提出將強烈松動巖體自重全部以荷載的形式作用在隧道支護結構或上覆地層上的力學概念。只有當隧道埋深處于超淺埋與淺埋以及淺埋與深