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原文传递岩石地层矿山法地铁隧道施工围岩力学响应及支护设计方法研究

论文题名：	岩石地层矿山法地铁隧道施工围岩力学响应及支护设计方法研究
关键词：	地铁隧道;施工过程;围岩力学响应;岩石地层矿山法;支护设计
摘要：	城市地铁建设在我国方兴未艾，截至2021年底，中国大陆有55个城市在建线路253条，其中出现了大量岩石地层，如青岛、重庆、大连等等，粗略估计此类地层建设规模超1300公里。而区间隧道在整个地铁土建工程投资中占比一般在60%以上，对工程造价影响较大。对于岩石地层，矿山法以其断面布置灵活，施工组织便捷等诸多优点，应用十分广泛。然而目前矿山法隧道设计和围岩响应的理论较为模糊，且缺乏科学的设计方法，致使工程技术人员对岩石地铁区间隧道的认识差异很大，存在主观性过强和支护参数保守的问题。本文采用统计调研、理论分析、数值模拟、现场实测、工程实践验证的综合研究方法，对岩石地区矿山法地铁隧道施工围岩力学响应及初期支护设计方法进行了研究，形成了系统的理论和优化设计方法，主要研究内容及创新成果如下：　　（1）建立了岩石矿山法隧道围岩损伤区的理论体系与计算方法。　　针对岩石地层矿山法隧道施工开展围岩力学响应研究，分析了隧道开挖后围岩在弹性状态和弹塑性状态下的力学行为，指出了现有计算方法仅考虑了地应力释放造成的松动圈，忽视了爆破的影响，导致理论值与实测值相差较大。分别采用应力法和功能关系法，提出了基于Fenner解的围岩松动圈范围理论计算方法。揭示出对围岩影响较大的是炸药爆炸过程中形成的爆破扩展松动圈，即爆破应力波对地应力松动圈进行了裂纹扩展作用，在地应力和爆破荷载共同作用下形成了最终的围岩松动圈。通过青岛地铁M1号线现场工程实测，验证了计算方法的适用性和有效性。同时对方法中地应力与爆破荷载的耦合系数m，n进行了讨论，并给出了适用于典型岩石地区围岩松动圈计算的取值范围。　　（2）揭示了矿山法区间隧道各类支护结构对工程刚度的贡献度。　　以青岛地铁M1线隧道工程为依托，分析了区间隧道各种工况下初期支护结构参数对工程刚度（包括地面沉降和拱顶沉降）的敏感性问题。分析了隧道在不同断面，不同地质条件下的施工工法、锚杆长度、初支厚度、初支刚度参数的敏感性；并针对系统锚杆的作用进行了专项对比试验和现场测试，深入揭示了系统锚杆的作用：在小断面隧道中，锚杆所起作用很小，其对工程沉降变形的敏感性最低，部分工况甚至出现了锚杆受压的状态，因此在地铁矿山法单线区间隧道中，完全可以取消系统锚杆。研究中也针对不同工况提出了隧道初期支护参数的最优组合。　　（3）提出了基于围岩松动圈计算理论的隧道围岩荷载计算新方法。　　针对目前隧道围岩荷载的计算方法数据陈旧且缺乏理论支撑的问题，依托青岛地铁工程，对各种地质条件下隧道的围岩压力进行了现场测试，揭示出隧道实测围岩压力与铁路隧道设计规范计算值差异较大，规范值是实际值的2~3倍。因此，基于隧道围岩松动圈计算理论的研究成果，同时在对实测数据进行详细分析的基础上，提出了矿山法隧道围岩压力计算的新方法，此方法相比规范方法考虑因素全面，增加了岩石抗压强度以及隧道埋深两个参数，通过计算并与实测数据进行对比分析，验证了新理论方法的适用性和有效性。　　（4）研发了基于面向工程对象的围岩评价体系及支护结构设计方法。　　围岩性态是一个多参数系统，本次研究打破传统围岩分级方法企图用单一指标来完全刻画复杂的隧道围岩性态的思路，从隧道所处的实际工程环境入手，建立了全新的面向工程对象的围岩性态评价体系，包含5个性态指标。进一步建立起了支护结构与围岩性态的对应联系机理，不再针对围岩分级制定参数，而是直接面对5个围岩性态指标与支护结构之间的作用关系有机的进行设计，改变了以往由单一围岩分级决定一套支护体系的陈旧设计方法，从而构建起了支护结构与围岩性态有机结合的优化设计方法。通过实际工程案例的应用分析，验证了新方法不仅科学有效，而且整体支护参数比传统方法有了大幅度的优化。　　（5）在地铁工程领域创新实践了单层喷锚衬砌结构。　　针对青岛地铁独特的硬岩地质条件，在深埋区段A类硐室围岩环境下，研发实施了单层喷锚衬砌隧道。提出了的“首层+面层”的分层间隔施作方式，通过喷射压力填充修复首层裂缝，充分保障喷射混凝土的耐久性和密实性。针对单层衬砌无法设置排水系统的难题，发明了“基于生物降解原理的内成模网络化排水系统”，在围岩与喷层之间设置柔性可降解材料组成的网络化排水系统，降解后在喷层结构中自然形成一道道联通的隐蔽排水通道，即行成为了永久的网络化排水系统。该设计方法的应用充分体现了绿色低碳的环保设计理念。
作者：	雷刚
专业：	土木水利
导师：	龚晓南;华福才
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2022