富水弱成砂巖隧道力學特性與支護對策研究.pdf

1、蘭渝鐵路胡麻嶺隧道在穿越富水弱成砂巖施工中出現(xiàn)了隧洞周圍巖變形大、鋼架扭曲失穩(wěn)、掌子面易坍塌、突泥涌砂等現(xiàn)象。隧道施工難度大，風險高，成為國內(nèi)罕見、世界性難題。以此為工程依托，論文圍繞該圍巖變形特征及控制技術等難題，綜合采用理論解析、數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場監(jiān)測等多種研究手段，對隧道施工影響下富水弱成砂巖力學特性及其控制技術進行了系統(tǒng)深入的研究，取得的研究成果如下:
　　(1)通過室內(nèi)試驗得到了富水弱成砂巖的各項物理力學特性參

2、數(shù)。結果表明:富水狀態(tài)的未成砂巖具有較低的粘聚力和滲透性;含水未成砂巖的力學性質(zhì)與其在干燥情況下極為不同，主要表現(xiàn)為其單軸抗壓強度含水后大幅度下降，彈性模量與粘滯系數(shù)也隨含水量增加而急劇下降。
　　(2)開展了荷載作用下的流變試驗。結果表明:其流變應變占總應變的40％左右;含水量不同時蠕變曲線中的瞬時應變、初始流變應變比例及總流變比例也不盡相同。干燥狀態(tài)下，未成砂巖初始流變占總流變變形的比例在53％左右，而含水狀態(tài)下其比例均在80

3、％以上?；谝陨显囼灲Y果擬合了廣義開爾文蠕變方程各系數(shù)與含水量的關系;推導了弱成砂巖隧道圍巖與支護相互作用力的表達式。
　　(3)隧道施工影響下富水弱成砂巖容易出現(xiàn)嚴重的圍巖變形破壞。通常具有變形量大、變形發(fā)展快、持續(xù)時間長，在時空效應上具有明顯的不對稱性和不均勻性等特征。對同一斷面來說，開挖進程中圍巖變形具有明顯的階段性，按變形速率可劃分為3個階段:急劇變形階段、穩(wěn)定變形階段和流變階段。隧道開挖后圍巖變形具有明顯時空效應。時間效

4、應主要發(fā)生在流變階段;空間效應通常發(fā)生在圍巖變形的急劇變形階段;穩(wěn)定變形階段則是兩者的過渡段。
　　(4)采用地震折射層析法確定隧道施工影響下富水弱成砂巖松動范圍。分析得出:表層波速值低于1000m/s的低速帶劃為松弛帶;中部波速值在1000m/s～2500m/s的漸變區(qū)劃為松動帶;底部波速值低于2500m/s的相對穩(wěn)定區(qū)為未擾動帶;各分帶之間的界限劃分主要以速度梯度帶為依據(jù)，兼顧波射線的滑行界面位置。
　　(5)基于胡麻嶺

5、富水弱成砂巖的特殊力學特性確定了運用超前支護和加固措施。減小或避免圍巖變形、盡快使支護結構閉合、按分部順序采取分割式逐塊開挖，并要求邊挖邊撐以求安全，并輔以監(jiān)控量測措施。采用數(shù)值模擬和工程類比方法確定了胡麻嶺隧道主洞的開挖方案和斜井進入正洞挑高段的施工方案，并進行了優(yōu)化分析。
　　(6)利用有限元對大斷面富水弱成砂巖隧道初期支護施作時機進行研究。分析得出:施工中應該以控制圍巖變形為核心，在初支結構安全的前提下，強調(diào)初期支護施作的及

6、時性;選取富水弱成砂巖隧道典型斷面進行現(xiàn)場監(jiān)測，得出初支、圍巖接觸壓力具有顯著時間效應，支護結構設計應考慮其長期流變荷載;在空間規(guī)律上，壓力分布呈現(xiàn)不均勻性。初期支護與二次襯砌之間的接觸壓力隨時間變化存在一個先增大后減小再增大，并不斷趨于穩(wěn)定的發(fā)展過程。初期支護與二次襯砌之間的接觸壓力分布并不對稱，總體上由拱頂→拱肩→拱腰→拱墻-上部→拱墻下部逐漸增大，但拱腳及拱底測值相對較小。
　　(7)胡麻嶺隧道富水弱成砂巖具有強度低，遇水的

7、情況下圍巖快速軟化，自穩(wěn)能力極差，易坍塌;洞身穿越處水位高經(jīng)常出現(xiàn)涌砂、突水，沉降大、初支變形等現(xiàn)象;圍巖顆粒細小，具有水敏性，富水未固結的情況下具有振動液化現(xiàn)象等工程特性。通過大量的方案論證、工藝試驗，最后形成以臺階分部輕型井點降水、深孔負壓降水為主的綜合降水技術，鑒于水通道或局部囊狀流塑狀圍巖采用雙液回退劈裂注漿技術。經(jīng)過工程現(xiàn)場實踐，兩種輔助施工技術基本上解決了該套地層圍巖穩(wěn)定問題，有效的控制了圍巖變形，在確保施工安全前提下保證了