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原文传递黄土隧道施工地表裂缝形成机理及控制技术研究

论文题名：	黄土隧道施工地表裂缝形成机理及控制技术研究
关键词：	黄土隧道;地表裂缝;形成机理;分布规律;力学性质
摘要：	针对黄土隧道施工容易引发地表裂缝这一客观工程现象，本文通过大量文献资料查阅、数据收集和现场实地调查、测试，并结合室内试验、模型试验和有限元、离散元数值模拟等手段，对黄土隧道施工地表裂缝的产生机理、分布及发展规律进行了较为系统的研究与总结，获得了一些有价值的研究结论。　　(1)较为系统地研究了原状黄土物理力学性质指标的各向异性，掌握了黄土基本力学性质和宏观各向异性特点　　黄土比一般砂土的粘聚力和抗拉强度高，但随含水率的增大而迅速降低。黄土裂缝剪切强度基本接近黄土自身的残余强度；有裂缝黄土比均质黄土峰值强度低，其强度差值随围压增大而减小(34.2％～13.8％)；黄土的单轴峰值抗压强度受密实度的影响大，随干密度的增大而迅速增大，随含水率的增大而显著减小。　　水平方向压缩模量大于竖直方向约17.4％；黄土的竖向湿陷性系数高于水平方向约36.8％；横向粘聚力均大于竖向的，内摩擦角变化不大；水平与竖向的卸荷破坏变形规律几乎相同，破坏位移在0.4～2.8mm之间，破坏应变在0.5％～3.5％左右，破坏形式几乎均为剪切破坏模式。　　(2)掌握了黄土隧道施工地表裂缝规律　　开展了在建过程中的郑西铁路客运专线、太中银铁路黄土隧道施工地表裂缝调查、勘测试验，调研了陇海、宝中、宝兰二线、侯月、神延铁路和多座公路黄土隧道地表裂缝和变形资料，结合黄土隧道施工过程模型试验、有限元与离散元计算分析，掌握了黄土隧道施工地表裂缝出现时的时间规律、隧道埋深规律、位置规律、裂缝深度规律、与隧道施工变形关系规律等。　　①地表裂缝出现的时间规律　　在黄土隧道洞口浅埋段，隧道开挖半个月左右，洞口仰坡洞周范围外两侧喷混凝土面出现纵向裂缝；洞顶地表平坦没有偏压的，30～45天后地表中线两侧各出现1～2条与隧道中心线平行的纵向裂缝，而且随着开挖的推进，裂缝也向前发展，如果开挖暂停3天以上，则对应掌子面前方地表处会出现1条横向裂缝，与纵向裂缝连通，形成怀抱式横向裂缝。　　②地表裂缝出现的隧道埋深规律　　黄土隧道洞口浅埋区段地表多可见裂缝，裂缝出现断面埋深一般小于2～3倍洞径，最大可达4倍洞径。在部分倾斜地形条件下，也有可能大于4倍洞径的埋深时，地表仍有可见裂缝。　　③地表裂缝出现位置规律　　裂缝位置为隧道洞顶中线两侧形成纵向裂缝，裂缝方向均向内倾斜，两纵向裂缝中间伴随一些横向裂缝。开挖掌子面前方已有可见裂缝产生，随着隧道开挖裂缝不断向前延伸发展。裂缝由地表浅层垂直，逐渐以曲面倾向于隧道中心，实测裂缝面倾角57°～73°(裂缝与隧底的夹角)。　　④地表裂缝深度规律　　地表处裂缝宽度最大，随深度增加裂缝宽度逐渐减小。测试可见裂缝深度有限，约为3～15m左右，当黄土隧道埋深小于1倍洞径时，地表裂缝与隧道呈贯通趋势。　　⑤地表裂缝出现的变形规律　　出现施工地表裂缝时的地表沉降多数在100mm以上。　　⑥地表裂缝与坍塌漏斗规律　　在支护不及时时，黄土隧道开挖中易发生围岩坍塌并可达地表，而坍塌面多为沿隧道最大开挖跨度的近乎直立面，少见由楔形滑动面的坍塌。　　(3)揭示了黄土隧道施工地表裂缝的形成机理　　①隧道施工后隧道上方地层形成滑动趋势面并形成地表地层拉应力是外因。　　浅埋黄土隧道施工中，随着地层应力状态的改变和调整，引起地层和地表位移与变形。这种施工变形可在较短时间、地表一定范围内形成不均匀的沉降凹槽。这就在隧道开挖的上方形成具有滑动趋势的楔形体，施工中隧道中心两侧地表存在水平位移，且水平位移方向均指向隧道中心线；在隧道中心线两侧存在一个水平位移最大点位置。　　滑动趋势楔形体有向开挖临空面滑动趋势，当滑动趋势面拉应力或剪应力大于土体强度时形成实际破坏面。滑动楔形体向下滑动的同时，滑动体自重力对两侧土体产生推挤作用，深部实际破坏面不会张开。　　②黄土隧道围岩的构造特征和各向异性是形成地表裂缝的内因　　黄土构造中的层面、垂直节理等软弱结构面，在隧道开挖后，在洞室周边形成不稳定结构体，导致塌方和片帮。在浅埋黄土隧道施工后隧道上方地层形成滑动趋势面的地表部分，因拉应力超过土体抗拉强度而破坏。同时，由于黄土在水平和竖直方向力学指标的各向异性，尤其是裂缝、节理的存在，导致水平方向拉应力在这些位置几乎为零，导致其裂缝易发生；由于无裂缝黄土体强度较高，故裂缝壁的直立性较好而形成可见裂缝，开裂后应力释放和施工过程应力累积在已形成裂缝施工前方再次形成裂缝。　　(4)提出了有限元法滑动楔形体和地表裂缝产生的判定条件　　①地表裂缝：对于近地表附近区域最小水平应力点与最大水平位移点重合，以此作为拉裂破坏的判定条件。　　②楔形体滑动面：地层最大剪应力与最大水平位移区域接近重合，因此以剪应力最大值和最大水平位移重合区作为剪切破坏判别依据。　　(5)提出了防止黄土隧道施工地表裂缝的地表沉降变形控制标准　　当支护封闭距离小于1倍隧道跨度，施工地表沉降变形小于80mm，可有效防止出现施工地表裂缝；支护封闭距离小于2倍隧道跨度，施工地表沉降变形小于100mm，可防止出现宽大施工地表裂缝。　　(6)完善了已形成的施工地表裂缝处理方法　　裂缝处理可采用三七灰土换填法、水泥浆灌注法、或素土盖面回填法。从经济和环境保护角度出发，利用击实黄土的渗透系数小的特性，提出了素土盖面回填法的新思路。　　由于黄土自身的特殊性，本文对黄土隧道施工地表裂缝形成机理和规律的研究仍然存在一些问题，有待深入研究。
作者：	叶朝良
专业：	道路与铁道工程
导师：	朱永全
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文