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原文传递大断面砂质黄土隧道初期支护受力特征研究

论文题名：	大断面砂质黄土隧道初期支护受力特征研究
关键词：	砂质黄土;大断面隧道;初期支护;受力特征;数值模拟;现场测试
摘要：	随着国家广袤西部基础设施工程建设的蓬勃发展，黄土地区铁路、公路、水利、输油管线、电力等工程建设逐渐增多。穿越黄土地层的隧道工程亦方兴未艾。我国黄土地区客运专线铁路、高速公路及路网建设速度越来越快，黄土地区修建的单线或双线铁路交通隧道项目也越来越多。由于黄土具有地域性和特殊的工程特性，使得黄土地层修建交通隧道需要特殊的设计理论与建造技术。为使黄土隧道满足工程要求，须针对黄土地层开挖与隧道初期支护受力变形特征开展研究工作，研究成果对隧道工程设计及施工稳定性具有重要意义和工程应用价值。　　本学位论文依托中（卫）-兰（州）客运专线铁路盘岘山隧道工程，采用现场地质调查、室内试验、数值模拟、现场监测相结合的手段，对大断面砂质黄土隧道围岩特性工程特性、初期支护受力特征开展研究，主要工作和结论如下：　　（1）对盘岘山隧道原状土样进行了含水率、密度、湿陷、直剪、三轴物理力学试验。通过对比参照隧道黄土围岩特性研究成果，提出该地区黄土围岩参数为含水率w=8.91%，天然密度ρ=1.77g/cm3，干密度ρd=1.63g/cm3，湿陷系数δs=0.06，粘聚力c=29、摩擦角φ=34。　　（2）根据盘岘山隧道工程资料，基于岩体力学原理，初期支护与围岩相互作用机理理论分析，获得特征曲线，探讨了黄土结构性对初支-围岩相互作用的影响机理。发现围岩压力与塑性区半径、围岩各物理力学参数、初始地应力有关。还发现组合支护中的最大承载力为各支护的支护阻力之和，而位移小于各支护单独施作下的允许位移的总和。刚度大的支护结构发挥作用更快，但将承担更大的围岩压力，且支护时机也会影响支护承受的压力与围岩最终的变形情况。　　（3）采用MIDASGTXNX进行两台阶、两台阶预留核心土、三台阶、三台阶七步法三维施工数值模拟，对比研究了四种工法下围岩稳定性，初期支护受力变形特征，发现大断面砂质黄土隧道中，不同的施工方法下，有无预留核心土钢拱架拱顶应力均为170MPa左右，其余部位也基本一致，核心土没有有效改善钢拱架受力情况，拱顶沉降与净空收敛最终值分别为：三台阶法64.33mm、16.09mm，三台阶七步法56.79mm、5.96mm，即时支护及预留核心土能有效降低拱顶沉降及净空收敛值，即时支护还能有效减小塑性区范围。在盘岘山隧道中建议采用三台阶法进行开挖，并进行即时支护。塑性区随着隧道施工在自上由下发展，并从上到下逐渐增大，隧道下台阶开挖后，围岩断面塑性区基本不再变化，最终塑性区主要发生在拱腰至仰拱处。　　（4）选择盘岘山隧道DK237+017断面开展了为期6个月的现场测试工作，分析了初支变形、围岩压力、钢拱架应力的时空发展规律，并与数值模拟结果进行对比，发现隧道上部土压力在隧道开挖10天左右逐渐稳定，仰拱在20天左右才开始逐渐稳定，稳定后同断面中拱肩至拱腰处土压力为89-127MPa，较其他部位更大，仰拱部分的土压力较隧道上部均偏小。还发现盘岘山隧道右侧受力较大，隧道受力不均衡。隧道拱肩至拱腰以及拱顶部分钢拱架应力最大，分别为219MPa和234MPa；钢拱架大部分变形为整体向内收缩，拱脚至仰拱处于由拱脚中心向外挤压的状态，仰拱处于由两边拱脚向内挤压的状态。隧道拱顶沉降可分为四个阶段：第一阶段为扰动阶段、第二阶段为迅速增大阶段、第三阶段为缓慢增长阶段、第四阶段为稳定阶段。在同一断面中，下一阶段的支护施作能有效降低上一阶段支护应力增长速率，提高支护强度。支护形成闭环也能提供更高的整体强度。
作者：	黄水清
专业：	道路与铁道工程
导师：	王旭;汪精河
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022