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原文传递干湿循环作用下运营隧道岩溶充填体劣化及衬砌裂损机理研究

论文题名：	干湿循环作用下运营隧道岩溶充填体劣化及衬砌裂损机理研究
关键词：	运营隧道;岩溶充填体;干湿循环;围岩压力;衬砌裂损
摘要：	我国可溶岩地层分布广泛，占国土面积近三分之一，特殊的赋存环境与地质营力作用形成了具有独特物理力学特性的充填岩溶地质。随着隧道工程在岩溶地区大规模修建，其穿越充填岩溶地质的情况越来越多。充填岩溶区的存在对围岩稳定性及衬砌结构受力都造成了严重影响，增加了隧道施工和运营的安全风险。近年来，岩溶地区运营隧道已进入病害高发期，尤其处于地下水变动带的隧道，其充填岩溶区内衬砌病害情况愈加显著，表现为:受地下水位影响，岩溶充填体长期处于干湿交替的环境中，岩体劣化明显，作用于衬砌的荷载经年变化，加速了衬砌的裂损破坏。随着运营隧道充填岩溶区内病害问题日益突出，亟需开展干湿循环作用下岩溶充填体劣化及衬砌裂损机理的研究，为运营隧道病害防控提供理论依据和技术支持。　　本文依托江西省交通厅重点科技项目“岩溶隧道运营期涌水机理及综合防控技术研究”，以武吉高速南石壁隧道为工程背景，综合采用现场调研、室内试验、理论分析和模型试验相结合的方法，对干湿循环作用下岩溶充填体强度劣化机制、充填岩溶区围岩压力计算方法、干湿循环荷载下衬砌结构受力特性等开展了一系列研究，取得的主要研究成果与结论如下: 　　(1)基于岩溶隧道运营期内衬砌裂损类型、特征及分布规律，结合充填岩溶孕育环境及赋存特征，建立了运营隧道充填岩溶区衬砌裂损灾变模型。在此基础上，分析了衬砌裂损破坏过程，揭示了岩溶充填体的干湿循环劣化是衬砌裂损的主控因素。　　(2)开展了岩溶充填体干湿循环劣化试验，以粘聚力、内摩擦角作为评价充填体状态的强度指标，通过劣化系数来定量表征强度指标随干湿循环的劣化规律，建立了岩溶充填体干湿循环强度劣化模型。通过劣化模型分析隧道运营期内充填体强度指标演变规律，表现为:单一状态（干季或湿季）下的粘聚力与内摩擦角均随运营年限增加而减小，并趋于稳定;干、湿状态的变化导致粘聚力及内摩擦角在每个运营年内上下浮动变化。　　(3)针对隧道全穿溶洞和隧道项部揭露溶洞两种工况，分别推导了岩溶填充物松散围岩压力计算公式;结合岩溶充填体干湿循环强度劣化模型，得到了干湿循环劣化下充填岩溶区围岩压力时变函数。结合算例分析隧道运营期内围岩压力演变规律:充填岩溶区围岩压力循环波动增长，前6年增长速度较快。　　(4)研发了新型隧道衬砌直接加载平台，模拟围岩压力加卸载变化，设计并开展了衬砌裂损模型试验，研究了干湿循环荷载下衬砌裂损过程中的内力变化、变形特征及裂缝发生、发展规律，揭示了岩溶充填体干湿循环劣化下衬砌结构的裂损机理。　　(5)在上述研究成果的基础上，开展劣化岩溶充填体注浆加固正交试验，验证了干湿循环强度劣化模型的合性理，确定了复合层岩溶充填体的注浆参数，形成了适用于运营隧道充填岩溶区的截水加固技术。该技术成功应用于南石壁隧道衬砌病害处治工程，可为类似工程提供一定借鉴。
作者：	杨腾
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	张庆松;张霄
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2021