详情

原文传递西藏林芝地区冰水堆积物隧道开挖及支护模型试验研究

论文题名：	西藏林芝地区冰水堆积物隧道开挖及支护模型试验研究
关键词：	冰水堆积物;隧道开挖;模型试验;围岩压力;支护方式
摘要：	在我国西南地区，第四纪更新世冰期与间冰期在很大程度上影响了现今地形地貌格局。西藏林芝地区广泛分布的冰水堆积物，往往规模巨大，在国家大力倡导西部开发的背景下，工程建设不可避免的与之产生密切的联系，并对人类的生产生活构成重要的影响。在漫长的地质历史时期中，冰水堆积物自形成后便受到了自然环境的不断改变，其性质如何，与一般堆积物有何不同，在其中开挖隧道后力学响应呈现何种状态，这些问题急需解决，而开挖后冰水堆积体围岩的稳定性和开挖支护方式研究可以为今后的工程安全提供保障。前人关于隧道物理模拟的相关研究大多围绕岩质隧道，还未见冰水堆积物隧道的相关研究，本文就是要通过现场调查和试验等方法研究冰水堆积物的基本特征、开挖后的变形破坏和支护方法以及松散围岩压力等问题。　　本文在充分调查林芝地区冰水堆积物分布特征的基础上，开展了冰水堆积物地层隧道物理模拟试验研究，通过地表布设的百分表，土中埋置的微型土压力盒和应变片等测量元件，获取了大量数据，基于这些数据，对比分析了不同支护工况下隧洞的变形破坏特征。采用颗粒离散元软件模拟毛洞开挖后洞室的渐进破坏过程，观察不同埋深下隧道的最终破坏状态，最后探讨了冰水堆积体隧洞形成稳定压力拱的埋置深度，并提出了基于太沙基理论的松散体围岩压力改进计算公式。　　为了深入了解冰水堆积物一系列基本特征，将遥感解译和实地调查相结合，分析了林芝地区冰水堆积物的分布规律，即平面形态多呈条带状和扇形，出露断面陡立，而顶面坡度较缓。选取典型堆积体进行原位重度、筛分和渗透试验，发现冰水堆积物的密度一般在2.05～2.30×103kg/m3之间，且多以巨粒和粗粒组成，不均匀系数均大于30，曲率系数大都在1～3之间，属于级配良好的土体。精细描述了冰水堆积体的物质组成及结构特征，最后取样开展冰水堆积物室内试验的研究，作为野外工作的补充完善。　　根据模型试验的相似原理，通过试验选取围岩、超前支护、模筑混凝土等模型材料，自主设计了试验装置和量测系统，进行了不同支护工况下的隧道开挖试验。结果表明，埋深对毛洞的最终稳定性有直接影响，当隧洞埋深为15cm时，在开挖过程中，拱顶逐渐出现塌落、塌落范围扩大、隧洞整体失稳，最后地表迅速沉降出现裂缝并贯通，地表塌陷宽度略大于隧道洞径，塌陷侧壁呈近直立状;埋深为20cm和25cm时，隧洞最终可以形成稳定的塌落拱。而对比分析各种支护措施的效果，以地表沉降为判断依据，注浆管棚支护对冰水堆积物隧洞效果最好。　　选取颗粒离散元软件对冰水堆积物隧洞开挖后的渐进破坏过程进行模拟分析，结果表明不同埋置深度，无支护状态隧道拱顶最先破坏，而且最为严重，而两侧壁仅见少量土体剥离脱落。埋深小于20m时，拱顶塌落一直发展到地表，形成贯穿型破坏;埋深大于20m时，拱顶塌落不会无限发展，而是形成一稳定的塌落拱。　　压力拱在隧道中是自然存在的，而它的形成有一定的条件。基于数值计算结果和压力拱边界判据，定量计算出压力拱的范围，从而确定冰水堆积物隧道形成稳定压力拱的临界埋置深度为20m，并以此作为隧道深浅埋界限。最后基于太沙基松动围岩理论，提出修正公式，对比计算结果表明，修正公式可以更好的反映冰水堆积体隧道的实际围岩压力。　　林芝地区冰水堆积物不同于一般堆积物，其物质组成和结构特征的特殊性决定了其力学特征的不同，天然含水率状态下冰水堆积物应力应变曲线呈现不同程度的软化现象，且围压越大，软化现象越明显。在毛洞开挖状态下，隧道的最终破坏与埋深有直接的关系，而不同支护方法下，注浆管棚支护对冰水堆积物隧洞效果最好。模型试验是在广泛深入调查和充分试验的基础上进行的，因此所得结论具有较高的可靠性，但是由于物理模型较小，以及衬砌是预埋安装的，这与实际有较大的差别。在今后的研究中，可以考虑不同开挖方法对隧道稳定性的影响，同时，还可以在物理模型中布置应力测线，以隧道开挖后围岩应力变化规律。
作者：	杨彬
专业：	地质工程
导师：	石豫川
授予学位：	硕士
授予学位单位：	成都理工大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文