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原文传递软弱围岩隧道台阶法开挖要素优化研究

论文题名：	软弱围岩隧道台阶法开挖要素优化研究
关键词：	软弱围岩隧道;台阶法;开挖效应;变形控制
摘要：	随着我国交通基础建设发展，近年来需要穿越复杂地质条件的隧道不断增加，如何快速、安全、经济的修建隧道工程，尤其是在软弱围岩地质条件下的深埋隧道工程，是当前该领域科技工作者关心的热点问题，其中台阶法是当前隧道开挖施工技术中应用最广泛的方法。但由于隧道工程建设地质条件的多样性与复杂性，目前我国《公路隧道施工技术规范》等规范仅对开挖要素粗略的规定：“台阶长度不宜超过隧道宽度的1.5倍，且台阶不宜多分层，上台阶高度宜为2.5m”。这造成了目前软弱围岩隧道开挖施工方案主要由技术人员依赖经验与工程类比来制定，迫切需要对台阶法开挖施工参数进行细化分析优化研究。本文结合宜巴高速公路某软弱围岩隧道开挖工程，分析并提出了影响台阶法开挖变形稳定的主要开挖技术要素；提出了有别于传统的单一用洞周变形判定围岩开挖稳定的判别标准，采用洞周变形、掌子面挤出变形和支护结构受力三因素判定指标；建立了软弱围岩隧道台阶法开挖要素优化研究的计算力学模型；采用FLAC3D三维有限差分法开展隧道施工全过程模拟，对台阶高度、台阶长度、开挖进尺及支护闭合时机等开挖技术要素展开系统分析，获得了如下研究结论：　　1）在系统总结软弱围岩隧道开挖变形特征及影响因素基础上，对台阶法开挖技术要素展开了全面分析，认为台阶高度、台阶长度、开挖进尺和支护闭合时机是影响隧道开挖变形的主要影响因素。　　2）针对传统上采用洞周变形来判定围岩开挖稳定的单一判别标准的现状，通过系统总结软弱围岩隧道开挖变形特点及分析隧道开挖过程出现的工程事故，认为宜采用洞周变形、掌子面挤出变形和支护结构受力三因素作为隧道开挖变形控制的综合判定指标。　　3）建立了软弱围岩开挖要素优化研究的计算力学模型，在埋深方面，认为深埋软弱围岩是最危险工况；在围岩分类方面，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ类围岩是最危险三类围岩；对此，建立了分别以Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三类深埋围岩为研究对象的劣化连续介质弹塑性计算力学模型，并认为此类计算模型是软弱围岩计算中的最危险工况，特定的裂隙岩体，不在本文研究之列。　　4）FLAC3D三维有限差分法隧道施工全过程模拟研究表明：台阶高度对洞周变形、掌子面挤出变形有显著影响，洞周变形、掌子面挤出变形与台阶高度呈正相关关系，与围岩强度呈现负相关关系；台阶高度增加，有利于发挥洞周围岩成拱效应，改善支护结构受力状态；建议 IV级围岩上台阶扁平率设为0.5~0.6，V级台阶扁平率设为0.4~0.5，VI围台阶扁平率设为0.3左右为宜，若采取有效辅助施工措施，可合理增大。　　台阶长度对洞周变形控制至关重要，洞周各部位变形终值基本与台阶长度呈正相关关系；台阶长度对掌子面挤出变形的影响在不同软弱围岩中有明显区别；台阶长度增长可有效改善支护结构受力状态；建议 IV围岩台阶长度设为1.2D~1.5D，V围岩台阶长度设为0.9D左右为宜，VI围岩台阶长度设为0.3D~0.6D，并采取适当的辅助施工措施，保持围岩和支护结构稳定。　　开挖进尺与洞周先行变形呈负相关关系，与变形终值呈正相关关系；开挖进尺对掌子面挤出变形的影响因围岩软弱程度不同有显著差异；开挖进尺增大可有效改善支护结构受力状态；建议IV围岩循环开挖进尺设在2.5~3.0m，V围岩循环开挖进尺设在1.5~2.0m，VI围岩循环开挖进尺设在1.0m左右。　　开挖技术要素中，支护闭合时机对洞周围岩稳定的影响最显著；隧道支护闭合时机越早，变形收敛时机越早，对洞周围岩变形控制越有利；掌子面挤出变形与支护闭合时机呈正相关关系；支护闭合时机在不同软弱围岩中对支护结构受力影响有显著差别；建议 IV围岩支护闭合距离控制在3.0D以内，V围岩支护闭合距离控制在2.5D以内，VI围岩支护闭合距离不超过1.5D为宜。　　5）以宜巴高速某软弱围岩隧道工程实例，分别采用数值分析和现场监控量测手段，研究认为该隧道技术人员依靠经验选取的开挖施工设计参数较合理，均在本论文建议的结论范围之内，该隧道开挖变形得到有效的控制也验证了本论文建议参数区间的合理性，但其台阶长度和循环开挖进尺设计相对保守，适当延长台阶长度、增大循环开挖进尺，有利于机械化作业，加快施工进度。　　软弱围岩隧道施工条件非常复杂多样，其施工技术正处于摸索研究阶段，本文的研究未考虑软弱围岩的裂隙、软弱带等节理结构的影响，研究成果的实用性具有一定的局限性，但获得了施工开挖要素与变形之间的部分规律，研究结论对于指导一般隧道工程施工具有一定的参考价值。
作者：	潘飞
专业：	岩土工程
导师：	程圣国
授予学位：	硕士
授予学位单位：	三峡大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文