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原文传递大断面黄土隧道围岩变形特征及控制技术研究

论文题名：	大断面黄土隧道围岩变形特征及控制技术研究
关键词：	黄土隧道;围岩变形特征;垂直节理发育;失稳模式;空间位移;控制技术
摘要：	黄土围岩工程特性成为隧道多类问题的根源，采用理论解析、实验室研究、数值模拟与现场工程应用相结合的方法对大断面黄土隧道围岩变形特征及控制技术进行深入研究。以典型黄土隧道为依托进行现场应用与反馈，解决围岩变形特征、失稳机理、空间位移及变形控制等关键问题，进行了大量的研究工作：　　(1)黄土地区隧道工程主要修建在低含水率Q2、Q3地层，其工程特性表现为显著结构性与垂直节理发育；采用室内固结排水三轴试验对黄土结构特性进行研究，将综合结构势mp由单轴应力状态应用到三轴应力状态实现黄土结构性的定量化；采用弹性圆孔应力集中分析垂直节理形成的力学机理，重力引起的水平拉力是产生垂直节理的原因；综合分析黄土工程特性，选取可考虑结构性与垂直节理双线型遍布节理模型。　　(2)基于黄土围岩工程特性，隧道开挖引起的围岩变形具有自身特点，具体表现在：突变性、变形值大、持续时间长、易形成地表裂缝；隧道开挖引发的应力调整经历了复杂加载与卸载过程，掌子面空间效应影响范围为2倍洞径；开挖引发围岩力学响应以洞周最为强烈，沿开挖半径向围岩深部发展；影响黄土隧道围岩变形因素主要包括黄土工程特性、地应力环境、隧道埋深、隧道断面形状与尺寸、地下水与施工组织管理等。　　(3)通过对大断面黄土隧道失稳案例调研与数值分析，剪切滑移与弱抗拉强度成为黄土隧道松动塌落主要原因；无支护条件下黄土围岩破坏过程表现：局部裂隙产生→局部裂隙扩展→裂隙急剧贯通→残余强度四个阶段；黄土围岩首先沿小主应力方向形成剪切破坏，随着荷载的分级施加，边墙处剪切裂隙贯通形成掉块，进而拱部围岩因边墙临空而显著下沉，拱顶松动塌落是在边墙剪切滑移破坏基础上出现；围岩深部存在环向应力升高区，承担着自重与外部土体荷载形成压力拱，自洞壁向围岩深部依次可分为：松动区→压力拱→原岩应力区。　　(4)通过模型试验得出型钢与喷网联合支护有效控制了黄土围岩变形发展，拱顶应力松弛得到缓解；选取拱顶部位实测数据绘制围岩与支护特征曲线，型钢与喷网联合支护结构提供的最大支护反力为围岩压力的70％，相应的拱顶沉降为5.1mm。与喷网联合支护结构起到了预想的限制效果，减小了有害松动的发生。　　(5)由于黄土特殊工程性质，大断面隧道深部围岩变形模式表现为围岩拱部竖向位移弱化较慢而边墙水平位移弱化较快，水平收敛普遍小于拱顶沉降，基本符合Boltzmann函数；支护结构合理调整围岩应力分布，有效改善应力集中；上台阶支护对控制拱顶沉降起关键作用，施工中应引起足够重视；支护封闭成环对整个隧道变形起到明显的控制效果，有利于开挖后围岩位移场的稳定。　　(6)采用数值方法对黄土围岩纵向变形及控制措施进行分析；临空面的存在使得掌子面挤出变形趋势显著，总体上边墙纵向位移小于拱顶，纵向位移与弹性模量成反比；对于纵向先期位移的预测结果，Panet经验公式为25％，Hoek经验公式为30％，数值计算结果为33％；预留核心土有效控制掌子面纵向挤出变形，使得掌子面土体由不利的双向应力状态变为三向应力状态，对于大断面黄土隧道台阶法施工，核心土的预留长度控制2R/3左右较为合适。　　(7)采用数值计算与理论分析绘制适用于大断面黄土隧道围岩与支护特征曲线；利用收敛约束法分析现行支护参数的适应性，支护结构最大反力大于围岩与支护特征曲线的平衡点应力值，满足适应性要求　　(8)基于正交试验设计对支护时机与刚度进行优化，选取合理的优化指标从而计算支护结构的优化组合；数值计算表明优化后支护结构组合具有较好适应性；根据数值计算结合现场实测制定大断面黄土隧道深、浅埋位移控制基准。
作者：	扈世民
专业：	地下工程
导师：	王梦恕;张顶立
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文