長大隧道穿越斷層區(qū)施工力學特征及施工優(yōu)化方法研究.pdf

1、我國山區(qū)面積大，約占國土面積的2/3。隨著我國陸地交通的快速發(fā)展，在進行鐵路、公路的建設時，需要修建較多的山嶺隧道，其中長大隧道占相當大的比例，而許多長大隧道也不可避免的要通過斷層區(qū)。長大隧道穿越斷層區(qū)施工時常出現(xiàn)大變形、坍塌等災害，嚴重影響施工安全和施工進度，這主要是由于對隧道穿越斷層區(qū)的施工力學特性認識不足造成的。斷層區(qū)圍巖作為一種特殊的軟巖，隧道施工過程中受時間效應和空間效應影響，其初期支護、二次襯砌有其特有的工程力學特性。對斷層

2、區(qū)隧道施工的力學特性，施工參數(shù)優(yōu)化方法進行研究是很有必要的。本文依托鐵道部科技研究開發(fā)項目(編號2008G030-D號)和中國中鐵總公司重點項目(編號2009重點17號)“高海拔低氣壓地區(qū)特長鐵路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究”，以關(guān)角特長鐵路隧道穿越斷層區(qū)的9＃工區(qū)施工為研究對象，對隧道穿越斷層區(qū)的施工力學特征和施工優(yōu)化方法進行了研究，主要內(nèi)容包括：
　　(1)在斷層區(qū)隧道施工力學特征研究中，首先對關(guān)角隧道9＃工區(qū)的勘察、設計資料進行收集

3、整理，對9＃工區(qū)右線施工現(xiàn)場的圍巖實際情況、地下水情況和施工過程進行調(diào)查，并以此為基礎提出了斷層區(qū)圍巖劃分的定性分級標準；
　　(2)在已有研究成果的基礎上，提出了斷層區(qū)開挖過程中圍巖位移隨時間，空間變化的方程，選取關(guān)角隧道斷層區(qū)開挖過程的量測數(shù)據(jù)進行計算，結(jié)果表明所提出的方法可以反映隧道開挖過程的時空效應；利用計算結(jié)果對斷層區(qū)隧道開挖的時空效應特征進行了分析，認為斷層區(qū)圍巖等效模量調(diào)整時間較長，導致隧道拱頂下沉和水平收斂達不到規(guī)

4、范規(guī)定的二次襯砌施作要求；水平和垂直位移釋放系數(shù)發(fā)展并不一致；隧道開挖對掌子面前后2倍洞徑范圍內(nèi)的圍巖影響較大，這與其他工程數(shù)值分析法研究的結(jié)論較為一致；
　　(3)以提出的圍巖位移時空效應方程，提出了隧道開挖循環(huán)進尺的優(yōu)化原理和優(yōu)化方法，分析了其適用范圍。利用提出的隧道開挖循環(huán)進尺的優(yōu)化原理和優(yōu)化方法對關(guān)角隧道斷層區(qū)的開挖進尺進行了優(yōu)化，實踐證明該方法可以用于指導工程實踐；對開挖進尺和圍巖位移的關(guān)系進行了研究，研究表明①量測斷面

5、距掌子面距離相同的條件下，循環(huán)進尺越大，總水平收斂和拱頂下沉值越小，但水平收斂拱頂下沉速率隨著開挖進尺的增大而增大，即大的循環(huán)進尺可以減少總的位移和收斂，但增加了單次循環(huán)的風險。這也解釋了軟弱圍巖隧道開挖“短進尺，快通過”的合理性；②最大拱項沉降和水平收斂速率不一定緊跟著出現(xiàn)在掌子面后方，一般出現(xiàn)在掌子面后方1倍洞徑范圍內(nèi)。
　　(4)通過斷層區(qū)隧道圍巖-初期支護應力、鋼拱架應力、錨桿軸力的現(xiàn)場監(jiān)測，斷層區(qū)內(nèi)隧道拱部圍巖.初期支護

6、接觸應力、鋼架受力遠大于邊墻、仰拱；斷層影響帶及破碎帶內(nèi)圍巖應力釋放較快，開挖施工對圍巖的擾動較大，其中上斷面開挖影響>下斷面開挖影響>仰拱開挖影響；
　　(5)將隧道初期支護噴射混凝土和鋼拱架等效為復合體作為一種單元和將設置鋼拱架和噴射混凝土部位分別作為不同參數(shù)的結(jié)構(gòu)單元建立數(shù)值模型，采用這兩種建模方法分別對斷層影響帶隧道結(jié)構(gòu)的受力進行分析，將隧道初期支護設置鋼拱架部位和噴射混凝土部位分別采用不同的參數(shù)計算，有助于了解初期支護的

7、受力情況并對初期支護結(jié)構(gòu)進行安全評估和參數(shù)優(yōu)化；基于提出的優(yōu)化步驟對關(guān)角隧道F3斷層影響帶的支護參數(shù)進行了優(yōu)化，實踐證明優(yōu)化后的支護參數(shù)在經(jīng)濟和實際操作上均是可行的，同時也證明了該方法具有可行性；
　　(6)對斷層區(qū)二次襯砌結(jié)構(gòu)受力進行了監(jiān)測，得出二次襯砌結(jié)構(gòu)是受力的，其初期支護-二次襯砌接觸應力的發(fā)展大致可分為四個階段，即快速增長階段、穩(wěn)定增長階段、應力調(diào)整階段和穩(wěn)定階段。采用F1ac3D軟件建立隧道軸線和不同傾角斷層走向正交的