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原文传递近饱和黄土大断面隧道变形控制研究

论文题名：	近饱和黄土大断面隧道变形控制研究
关键词：	隧道工程;饱和软黄土;三台阶七步开挖法;变形控制
摘要：	随着国内高速铁路的快速发展，隧道开挖断面也不断增大，而富水大断面黄土隧道，由于土体强度低，变形大，自承能力小;且在受水的影响十分强烈，一旦被水浸泡，黄土强度骤减将诱发初期支护沉降变形过大，围岩长时间难于稳定等问题。如何在富水大断面黄土隧道施工中，寻求一套科学、安全、快速的施工方法成为目前亟待解决的问题。论文针对郑西铁路客运专线张茅隧道开挖断面大、富水饱和、黄土遇水成泥、沉降变形大、易塌方、工程地质复杂等特点，为实现安全、优质、快速施工的目的，进行了富水黄土大断面隧道围岩变形规律及其施工控制方法的研究。　　(1)对张茅隧道的近饱和黄土地层的工程性质进行了调查、测试和分析研究，张茅隧道洞身主要为第四系中更新统(Q2)老黄土，以黏质黄土为主，含水量高达20％，饱和度达92％，具有弱～中膨胀性，属Ⅳb级围岩，且隧道开挖跨度大、断面大，施工难度远大于修建同类型的一般黄土隧道，必须采取合理有效的施工方法和工程措施。在富水黄土地层中开挖隧道后，由于黄土的崩解性、湿陷性和弱膨胀性，在富水的作用下，土体开挖后会迅速崩解，强度骤然降低，围岩自稳能力极大消减;隧道开挖后土体容易顺着节理胀松或剪断，出现片帮和顶部塌方;选择合理的开挖方法是确保此类地质条件的大断面隧道安全的保障。　　(2)通过对CD法、CRD法、双侧壁导坑法和三台阶七步开挖法的比较分析，得到了三台阶七步开挖法的变形值略大于CRD法和双侧壁导坑法，但三台阶七步开挖法进度快，并有利于隧道尽早闭合。　　(3)采用三维数值方法模拟分析了隧道开挖支护过程，研究了富水大断面黄土隧道的开挖过程围岩及支护结构的应力及变形规律。结果表明三台阶七步开挖法的施工过程，初期支护拉应力集中主要发生在拱脚和拱项;压应力集中主要发生在拱顶和边墙、墙脚;初支型钢钢架各控制点内、外侧应力最大值为-127.07MPa;初期支护拱顶沉降不大，最终拱顶沉降值约为50.2mm，拱项沉降收敛距离约在2D左右;初期支护水平位移量值小，其中拱脚处水平位移最终值为6.3mm，边墙中部为10.5mm，边墙底部为10.1mm;拱脚处水平相对位移的收敛距离约在1.5D左右，边墙中部以及底部的水平位移收敛较快，收敛距离约在1D左右; 　　(4)选择典型断面进行了隧道开挖支护过程中围岩及支护结构应力和变形的现场测试及规律研究，从现场监测数据来看，初支变形不大，并在初支封闭后很快趋于稳定，而且初支的应力及围岩压力也都较小，说明了三台阶七步开挖法适用于富水老黄土地层的大跨隧道施工。　　(5)在数值分析规律研究和现场测试的基础上，研究提出了张茅隧道施工围岩变形控制的基本技术方法，三台阶七步开挖法开挖施工中的基本技术参数为:上台阶3m～5m，中、下台阶4m～6m，上台阶不小于宽度的0.3倍，台阶错台:2～3m;上台阶进尺不宜大于0.8～1.0m，中、下层台阶进尺不宜大于1.5m，仰供一次开挖施做初支护的长度不宜大于2～3m;通过留核心土、开挖面初喷3～5cm混凝土、设置超前小导管技术有效控制掌子面的稳定;通过设置大拱脚、锁脚锚杆技术控制整体沉降;施工中仰拱必须及时封闭，封闭距离为30～35m，封闭时间宜控制在15天左右; 　　(6)研究了隧道底板的变形控制水泥挤密桩处理技术，隧道地基处理完成后，垂向的地基系数增加幅度达178.3％，而隧道拱脚的各项物理性质得到了明确的改善，压缩模量的增加幅度达343.9％，孔隙比降低幅度最大达43.4％;静力触探和标贯值也得到了显著提高;仰拱的总沉降量仅为80.3mm和77.3mm，预测的工后沉降量仅在3mm左右，能满足工后沉降的要求。　　(7)仰拱填充面动位移随激振频率在21Hz之后增长速率变缓，最大垂直动位移约为0.5mm;仰拱填充面最大振动速度为1.61mm/s;激振动应力大小与激振时间以及激振频率基本无关，在30kPa激振动压力作用下，仰拱底部实测最大动应力为5.1kPa，仅仰拱填充面激振动应力的1/6;振动速度衰减至0.2mm/s时的深度为仰拱填充面下约5.9m处;仰拱下黄土围岩中的最大振动速度为1.03mm/s。　　(8)仰拱回填混凝土中激振应变大小随激振频率的增加变化不大，可以近似地认为与激振频率无关;在仰拱填充面30kPa激振压力和激振频率f=5～27Hz的作用下，隧底超静水压幅值很小，约是隧底黄土围岩中激振动应力的1/50。　　(9)激振试验后，激振机下的隧底土体的每10cm贯入击数都在40左右，说明该处富水黄土处于坚硬状态，不存在软化现象;试验前后级配曲线没有明显变化，特别是激振试验前后的黏粒含量没有减小，隧底富水黄土土层不存在细化、泥化现象;基底黄土的抗剪强度指标c、ψ基本没有变化，激振对隧底富水黄土抗剪强度没有影响。　　(10)提出了富水大断面黄土隧道施工的变形控制标准和监控管理等级，对类似工程的施工有较大的参考价值。分析研究了三维激光扫描技术在黄土隧道围岩变形监测中的应用技术方法。
作者：	张爱军
专业：	道路与铁道工程
导师：	许兆义
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文