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原文传递钻爆法海底隧道断层--风化槽段围岩稳定性分析与风险防控措施研究

论文题名：	钻爆法海底隧道断层--风化槽段围岩稳定性分析与风险防控措施研究
关键词：	高速铁路;海底隧道;断层-风化槽段;围岩稳定性;风险防控
摘要：	随着社会经济的发展，大批的海底隧道不断投入建设。海底隧道在为人们进一步带来交通运输方便的同时，其修建过程中的各种重大安全事故，给人们敲响了警钟。在海底隧道施工过程中，极易遇到海底断裂带、风化深槽等高风险区段，钻爆法施工产生的振动效应会明显提升，使穿越不良地质段的风险进一步增大，极易出现岩体失稳甚至围岩破裂现象，从而导致隧道动力灾害的发生。尽管我国山岭隧道的建设技术已十分完善，但海底隧道勘探更为困难，地质条件更为复杂，建设经验相对匮乏。尤其是目前正处于建设期的国内首条350km/h高速铁路海底隧道一汕头湾海底隧道，具有极端复杂的地质环境，施工风险极高。　　本文以我国当前蓬勃发展的海底隧道建设为研究背景，以我国首条350km/h高速铁路海底隧道一汕头湾海底隧道为依托工程，在广泛搜集过往隧道修建科研数据的基础上，采用多种手段，针对断层破碎带及风化槽等不良地质构造，对隧道爆破开挖过程中围岩稳定性以及风险防控措施开展相关研究，主要结论如下: 　　(1)详细阐述了爆破应力波形成过程、传播规律及衰减规律，分析了爆破荷载作用下围岩破坏过程;介绍了三种典型的爆破荷载等效施加模型以及两种动力边界条件，分析了其优劣性。以汕头湾海底隧道完整围岩段为背景，开展了钻爆法隧道动力及静力数值计算，分析了两种模型位移、应力及塑性区的差异性，计算结果表明静力计算结果偏安全，无法真实模拟钻爆法隧道施工过程，验证了爆破荷载施加的必要性;通过布设爆破振动传感器，分析了不同爆破距离时隧道围岩振动速度，将爆破模拟结果与现场振动测试结果相对比，其差距较小，满足后续爆破开挖计算的要求，验证了隧道爆破开挖模拟的准确性，为后续开展不良地质段隧道爆破开挖模拟奠定了基础。　　(2)以存在F8断层破碎带的汕头湾海底隧道不良地质段为背景，分析了多种工况穿越汕头湾海底隧道F8断层破碎带过程中的围岩动力响应规律，各工况的动力响应程度存在明显不同，隧道围岩的动力响应主要集中在断层破碎带区域。采用全断面法的施工方案在接近断层破碎带过程中己处于高风险区间，而两台阶法的三种工况以及开挖进尺为3m的三台阶法工况仅在进入断层后峰值振速以及峰值位移处于较高区间内;当施工方案为三台阶法，进尺为2m以及2.5m时，穿越断层破碎带过程中峰值振速及峰值位移相对较小，施工风险相对较低。综合考虑各工况安全性、工期、以及经济性等因素，在临近断层破碎带时建议采用两台阶法施工，穿越断层破碎带时可采用三台阶法、开挖进尺为2.5m的施工方案。　　(3)选取了单点位移计、压力计、渗压计以及速度传感器四种监测元件，基于当前施工进度，将临近断层区域的DK160+930与DKl60+945两个断面作为监测断面，将隧道截面的拱顶，左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰作为监测点开展了现场试验;同时针对传感器安装存在着环境复杂、安装工艺适用性差等问题，针对性地改进了渗压计、位移计及压力计的安装方法及工艺。通过各传感器获取了围岩位移、应力、渗压及振动速度变化趋势，监测结果表明各监测点变化均较为平缓无显著突变，隧道围岩未发生显著的动态响应，隧道围岩当前稳定性良好，风险安全可控，施工风险较低，施工方案较为合理;基于当前施工，分析了施工效果，提出了围岩稳定性控制措施，为下一步穿越F8断层破碎带提供安全保障。　　(4)针对汕头湾海底隧道F9断层破碎带及风化槽两种不良地质构造的地质极端复杂区段，以上文穿越F8断层破碎带施工方案为基础，开展了隧道爆破开挖无注浆与不同注浆范围的流固耦合模拟，分析了开挖至不同截面时各工况隧道围岩应力、位移、渗压及峰值速度的分布规律，根据不同工况开挖过程中塑性区分布情况，分析了无注浆措施、5m注浆加固圈以及10m注浆加固圈三种工况的施工高风险区域;数值结果计算表明采取超前注浆加固措施后，明显改善了隧道围岩的性质，进一步提升了隧道围岩的承载能力，使得围岩的位移，应力，渗压、振动速度以及塑性区范围均有明显降低;无注浆工况中隧道拱顶破裂风险极大，采用了注浆加固措施后隧道拱顶围岩破裂风险明显降低。同时针对当前极端复杂的不良地质构造，提出了一系列风险控制手段，保障了下一步隧道现场施工安全。
作者：	王超
专业：	建筑与土木工程
导师：	周宗青
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022