详情

原文传递斜向穿越高陡边坡的双洞隧道施工围岩力学行为研究

论文题名：	斜向穿越高陡边坡的双洞隧道施工围岩力学行为研究
关键词：	隧道工程;围岩力学行为;双洞穿越;高陡边坡;次深埋隧道
摘要：	在存在滑坡的高陡边坡中进行浅埋偏压双洞隧道侧向穿越施工时，围岩力学行为非常复杂，严重影响施工和结构安全，为此必须对这一过程中围岩力学行为进行深入研究，以采取针对性措施确保双洞顺利、安全地穿越边坡并消除施工遗留的安全隐患。为此本文以穿越高陡边坡且曾有滑坡泥石流事故发生的卡拉、杨房沟水电站交通专用公路草坪子长隧道工程中出现的重大难点问题为背景，综合运用文献研究、理论分析、数值模拟、现场调查等方法对穿越高陡边坡双洞隧道的施工力学行为以及隧道破坏模式进行深入分析研究，主要研究工作和成果如下: 　　(1)系统分析了草坪子双洞隧道的工程地质、隧道结构、双洞空间展布、施工方法等施工条件及其对工程安全的影响，指出在滑坡、浅埋、偏压等极差地质条件下进行双洞穿越高陡边坡施工时，必须采取与之相适应的施工方法和施工控制技术措施，否则一定会出现滑坡和隧道塌方，滑坡又会造成隧道衬砌结构产生破坏。因此，必须密切关注在这种地质、山体条件下进行双洞隧道施工时围岩应力及位移分布特征、变化规律以及围岩破坏模式。　　(2)较系统地总结了现有隧道工程理论及方法，主要包括深埋隧道围岩二次应力及位移解、三次应力及位移解，深埋偏压隧道围岩二次应力及位移解，以及深埋双洞隧道围岩二次应力及位移的求解方法，并运用深埋隧道解析解对深埋隧道围岩应力及位移分布规律进行了分析，指出深埋隧道埋论解已较为完备，但因无法考虑体力的影响，而使其使用范围受到限制。　　(3)结合卡扬交通工程实际，首次提出了次深埋隧道（埋深在2.5倍洞径及以上的隧道）的概念及其力学模型，该力学模型可以考虑体力的影响，能够较好地符合工程实际，克服了深埋隧道解析解不能考虑体力的缺点。基于这一力学模型，运用弹性理论之复变函数解法，推导出了次深埋隧道围岩应力、位移分布解析公式。利用导出的计算公式对次深埋隧道围岩应力与位移进行计算，并与相同条件下的数值解进行了对比分析。结果表明，解析解的分析结果较为合理，具有很好的对称性，其与数值解能够较好地相互印证，可很好地揭示出次深埋隧道围岩二次应力及位移分布规律，这对今后次深埋隧道乃至深埋隧道的设计与施工都有较高的参考价值。　　(4)参考平面问题、空间问题及数值分析计算理论，分别对深埋段及浅埋偏压段双洞隧道开挖工况进行了分析。两类工点均设置了四个工况，前者主要考虑了开挖方法（全断面法和台阶法）、支护方案（支护紧跟与毛洞开挖）和隧道穿越形式（单洞穿越与双洞穿越）等三组变量的影响，后者考虑的变量与前者基本相同，仅将隧道穿越形式改为了开挖顺序（先挖右洞和先挖左洞）。之后对每种工况进行了计算，分析了各变量对围岩力学行为的影响。结果表明:开挖方法和支护方案的变化对围岩力学行为影响较大，隧道穿越形式和开挖顺序的改变对围岩力学行为影响较小。具体为台阶法施工能够有效控制拱项沉降和边墙垂直应力集中，而全断面法能够较有效地控制拱底隆起、边墙水平位移及拱顶和拱底应力集中;支护结构紧跟能使围岩位移特别是拱顶沉降及拱底隆起位移降低40％以上，其支护效果非常明显;单洞穿越与双洞穿越围岩位移及应力变化规律并无明显区别，双洞穿越时围岩的应力及位移分布可由单洞穿越的分布规律经对称复制得到;先挖左洞（深埋侧洞），有利于降低右洞拱顶沉降及右边墙水平收敛位移，先挖右洞（浅埋侧洞），有利于降低右洞拱底隆起及左边墙水平收敛位移，但这种作用非常有限，且左洞围岩的位移对开挖顺序的变化并不敏感。上述隧道穿越形式及开挖顺序的相关结论可以说明双洞净距能满足深埋段和浅埋偏压段的安全净距要求，双洞施工相互间的影响非常微弱，可忽略不计，双洞掌子面之间的距离不受限制，开挖顺序也不必设置特殊要求，只要单洞施工合理就可保证整体工程施工安全。　　(5)依据理论分析及数值分析结论，结合隧道施工实践，得出了双洞穿越高边坡（滑坡）时围岩的应力及位移分布规律以及围岩的破坏模式。分析结果表明:深埋段洞周围岩多呈现出“X”型剪切破坏;浅埋偏压段隧道特别是洞口偏压的存在使初始应力场发生偏转，造成围岩力学行为及破坏模式与深埋段极为不同，其围岩破坏模式为浅埋侧表现为整体垮塌式破坏（“U”型或“V”型）或挤出式破坏（“L”型），深埋侧为“y”型剪切破坏。为此，在施工过程中，必须注意左洞（深埋侧洞）拱顶两侧、拱底左侧与右洞右上部位围岩的剪切破坏，对于左洞应严格做到“强支护、快封闭”，强支护亦包括超前支护;对于右洞，在严格执行“弱爆破，紧衬砌”的同时，应确保边坡加固工作超前于隧道开挖，以保证边坡和浅埋侧洞围岩的稳定。上述围岩破坏模式的提出对于本工程的施工具有重要的指导意义，对其他类似工程也提供了一定的参考和借鉴。
作者：	王猛
专业：	岩土工程
导师：	肖清华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文