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原文传递千枚岩隧道挤压性大变形机理及控制技术研究

论文题名：	千枚岩隧道挤压性大变形机理及控制技术研究
关键词：	铁路隧道;千枚岩地层;流变特性;挤压性大变形;支护结构
摘要：	在高地应力软岩地层中开挖隧道，易引发围岩发生挤压性大变形，表现为围岩变形量大、变形时间长，支护结构变形强烈乃至破坏，严重影响工程工期和隧道结构长期稳定，是世界隧道建设中的重大难题之一。出现这些问题的客观因素是隧道的赋存环境，高地应力环境下的软岩自稳能力差、流变特性显著;而主观因素则是对该类隧道的围岩变形机制及其演化规律等认识不足，采取的控制技术缺乏系统的理论指导。针对上述问题，本文依托在建成（成都）兰（兰州）铁路茂县隧道，对挤压性大变形隧道的围岩工程特性、挤压性大变形机理、围岩变形及支护受力规律、变形控制技术进行了研究，得出的主要成果如下: 　　(1)根据资料调研，明确了茂县隧道穿越的软岩地层岩性以绢云母千枚岩为主，所处环境地质构造发育，地应力复杂，围岩节理裂隙发育，岩体结构面与隧道轴线大角度相交。隧道埋深大，地应力高，围岩软弱破碎，挤压现象严重。基于地质评价，分析了绢云母千枚岩的矿物成分、水理特性及变形破坏特性，并进一步研究了绢云母千枚岩的流变特性，推导了基于统一流变模型的岩石流变试验解析解，结合MATLAB的BP神经网络，提出了一种流变模型参数的辨识方法，可实现复杂流变模型的多参数辨识。　　(2)通过调研与现场测试，总结千枚岩隧道挤压性大变形的主要特征为围岩变形量大、速率快、持续时间长，围岩破坏范围大，掌子面挤出现象突出，支护结构破坏严重且形式多样。导致这些特征产生的主要因素是地质构造复杂、地应力高、岩体结构发育、围岩强度低、围岩流变特性显著、水。通过理论分析，推导了基于Burgers模型的圆形隧道粘弹塑性解，并结合数值计算及围岩松动圈测试，分析了围岩的破坏机制及大变形机理。　　(3)通过现场测试，研究了围岩变形及支护受力的发展规律，分析了锚杆与钢架在挤压性大变形隧道中的作用机理。采用本文提出的“支护结构自适应建模法”对隧道双层支护的作用效果进行数值计算，进一步分析了双层支护体系对围岩流变作用的控制效果。对于挤压性大变形隧道，应以“空间”换“时间”，通过前期位移释放，降低流变压力对支护结构的影响，同时以“让抗结合，柔刚相济，组合围岩，共同承载”的手段进行大变形控制。　　(4)通过1∶1的试验洞进行初期支护的对比试验，对围岩变形、支护受力进行了长达900d的现场监测，研究了不同形式的钢架、锚杆等初期支护对围岩挤压性大变形的控制效果，总结了双层网喷钢架、长短组合锚杆的支护作用机理，提出了钢架分层、分次施作;锚杆长短结合，短锚杆及早施作;三台阶预留核心土并掌子面注浆加固的软岩隧道挤压性大变形控制技术。　　(5)在研究传统“围岩特征曲线”的基础上，通过理论分析和数值计算，提出了考虑围岩流变特性的“围岩特征曲面”，提炼了一种考虑时空效应的多层支护分析方法，并用于分析挤压性软岩大变形隧道支护结构的长期稳定性。
作者：	李磊
专业：	土木工程
导师：	谭忠盛
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文