軟弱圍巖隧道臺(tái)階法開(kāi)挖要素優(yōu)化研究.pdf

1、隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展，近年來(lái)需要穿越復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道不斷增加，如何快速、安全、經(jīng)濟(jì)的修建隧道工程，尤其是在軟弱圍巖地質(zhì)條件下的深埋隧道工程，是當(dāng)前該領(lǐng)域科技工作者關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題，其中臺(tái)階法是當(dāng)前隧道開(kāi)挖施工技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的方法。但由于隧道工程建設(shè)地質(zhì)條件的多樣性與復(fù)雜性，目前我國(guó)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范僅對(duì)開(kāi)挖要素粗略的規(guī)定：“臺(tái)階長(zhǎng)度不宜超過(guò)隧道寬度的1.5倍，且臺(tái)階不宜多分層，上臺(tái)階高度宜為2.5m”。這造成了目前軟弱

2、圍巖隧道開(kāi)挖施工方案主要由技術(shù)人員依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)與工程類(lèi)比來(lái)制定，迫切需要對(duì)臺(tái)階法開(kāi)挖施工參數(shù)進(jìn)行細(xì)化分析優(yōu)化研究。本文結(jié)合宜巴高速公路某軟弱圍巖隧道開(kāi)挖工程，分析并提出了影響臺(tái)階法開(kāi)挖變形穩(wěn)定的主要開(kāi)挖技術(shù)要素；提出了有別于傳統(tǒng)的單一用洞周變形判定圍巖開(kāi)挖穩(wěn)定的判別標(biāo)準(zhǔn)，采用洞周變形、掌子面擠出變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力三因素判定指標(biāo)；建立了軟弱圍巖隧道臺(tái)階法開(kāi)挖要素優(yōu)化研究的計(jì)算力學(xué)模型；采用FLAC3D三維有限差分法開(kāi)展隧道施工全過(guò)程模擬，對(duì)臺(tái)

3、階高度、臺(tái)階長(zhǎng)度、開(kāi)挖進(jìn)尺及支護(hù)閉合時(shí)機(jī)等開(kāi)挖技術(shù)要素展開(kāi)系統(tǒng)分析，獲得了如下研究結(jié)論：
　　1）在系統(tǒng)總結(jié)軟弱圍巖隧道開(kāi)挖變形特征及影響因素基礎(chǔ)上，對(duì)臺(tái)階法開(kāi)挖技術(shù)要素展開(kāi)了全面分析，認(rèn)為臺(tái)階高度、臺(tái)階長(zhǎng)度、開(kāi)挖進(jìn)尺和支護(hù)閉合時(shí)機(jī)是影響隧道開(kāi)挖變形的主要影響因素。
　　2）針對(duì)傳統(tǒng)上采用洞周變形來(lái)判定圍巖開(kāi)挖穩(wěn)定的單一判別標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)軟弱圍巖隧道開(kāi)挖變形特點(diǎn)及分析隧道開(kāi)挖過(guò)程出現(xiàn)的工程事故，認(rèn)為宜采用洞周變形、

4、掌子面擠出變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力三因素作為隧道開(kāi)挖變形控制的綜合判定指標(biāo)。
　　3）建立了軟弱圍巖開(kāi)挖要素優(yōu)化研究的計(jì)算力學(xué)模型，在埋深方面，認(rèn)為深埋軟弱圍巖是最危險(xiǎn)工況；在圍巖分類(lèi)方面，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ類(lèi)圍巖是最危險(xiǎn)三類(lèi)圍巖；對(duì)此，建立了分別以Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三類(lèi)深埋圍巖為研究對(duì)象的劣化連續(xù)介質(zhì)彈塑性計(jì)算力學(xué)模型，并認(rèn)為此類(lèi)計(jì)算模型是軟弱圍巖計(jì)算中的最危險(xiǎn)工況，特定的裂隙巖體，不在本文研究之列。
　　4）FLAC3D三維有限差分法隧道施工

5、全過(guò)程模擬研究表明：臺(tái)階高度對(duì)洞周變形、掌子面擠出變形有顯著影響，洞周變形、掌子面擠出變形與臺(tái)階高度呈正相關(guān)關(guān)系，與圍巖強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系；臺(tái)階高度增加，有利于發(fā)揮洞周?chē)鷰r成拱效應(yīng)，改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)；建議 IV級(jí)圍巖上臺(tái)階扁平率設(shè)為0.5~0.6，V級(jí)臺(tái)階扁平率設(shè)為0.4~0.5，VI圍臺(tái)階扁平率設(shè)為0.3左右為宜，若采取有效輔助施工措施，可合理增大。
　　臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)洞周變形控制至關(guān)重要，洞周各部位變形終值基本與臺(tái)階長(zhǎng)度呈正相

6、關(guān)關(guān)系；臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)掌子面擠出變形的影響在不同軟弱圍巖中有明顯區(qū)別；臺(tái)階長(zhǎng)度增長(zhǎng)可有效改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)；建議 IV圍巖臺(tái)階長(zhǎng)度設(shè)為1.2D~1.5D，V圍巖臺(tái)階長(zhǎng)度設(shè)為0.9D左右為宜，VI圍巖臺(tái)階長(zhǎng)度設(shè)為0.3D~0.6D，并采取適當(dāng)?shù)妮o助施工措施，保持圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
　　開(kāi)挖進(jìn)尺與洞周先行變形呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與變形終值呈正相關(guān)關(guān)系；開(kāi)挖進(jìn)尺對(duì)掌子面擠出變形的影響因圍巖軟弱程度不同有顯著差異；開(kāi)挖進(jìn)尺增大可有效改善支護(hù)結(jié)構(gòu)

7、受力狀態(tài)；建議IV圍巖循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺設(shè)在2.5~3.0m，V圍巖循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺設(shè)在1.5~2.0m，VI圍巖循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺設(shè)在1.0m左右。
　　開(kāi)挖技術(shù)要素中，支護(hù)閉合時(shí)機(jī)對(duì)洞周?chē)鷰r穩(wěn)定的影響最顯著；隧道支護(hù)閉合時(shí)機(jī)越早，變形收斂時(shí)機(jī)越早，對(duì)洞周?chē)鷰r變形控制越有利；掌子面擠出變形與支護(hù)閉合時(shí)機(jī)呈正相關(guān)關(guān)系；支護(hù)閉合時(shí)機(jī)在不同軟弱圍巖中對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力影響有顯著差別；建議 IV圍巖支護(hù)閉合距離控制在3.0D以?xún)?nèi)，V圍巖支護(hù)閉合距離控制在2

8、.5D以?xún)?nèi)，VI圍巖支護(hù)閉合距離不超過(guò)1.5D為宜。
　　5）以宜巴高速某軟弱圍巖隧道工程實(shí)例，分別采用數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)手段，研究認(rèn)為該隧道技術(shù)人員依靠經(jīng)驗(yàn)選取的開(kāi)挖施工設(shè)計(jì)參數(shù)較合理，均在本論文建議的結(jié)論范圍之內(nèi)，該隧道開(kāi)挖變形得到有效的控制也驗(yàn)證了本論文建議參數(shù)區(qū)間的合理性，但其臺(tái)階長(zhǎng)度和循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺設(shè)計(jì)相對(duì)保守，適當(dāng)延長(zhǎng)臺(tái)階長(zhǎng)度、增大循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺，有利于機(jī)械化作業(yè)，加快施工進(jìn)度。
　　軟弱圍巖隧道施工條件非常復(fù)雜