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浅覆软弱围岩隧道超前支护作用机理及工程应用研究

发布时间:2015-01-01 17:46 论文编辑:lgg 所属栏目:工程论文 关键词: 工程硕士论文浅覆隧道水平旋喷现场测试数值

本文是工程硕士论文,针对浅覆软弱围岩预支护(加固)研究的问题,论文依托相关工程,采用现场测试、数值计算、理论分析等手段,重点对长管棚、水平旋喷预支护作用机理进行探讨。

1绪论


1.1引言
在西部大开发与城市化的大背景下,遂道与地下工程掀起了空前的发展高潮,需要在复杂地质及环境条件下中修建大量的隧道。然而,随着人们环境保护意识的提高,为保证临近建构筑物的安全与正常使用、减小隧道与地下工程对周边环境的影响(包括地层变形与水环境),衡量遂道稳定性的内涵有了较大的变化,变形控制标准提高,地层变形必须控制在允许范围内。目前,虽然暂未有规范明确规定城市隧道的控制标准值,但行内多选用30mm作为控制标准,在下穿或紧邻变形敏感的高速铁路时,甚至提出了“零沉降”(变形控制在±5mm)的要求。同时,受人口老龄化及以人为本理念深入等影响而引起劳动力成本大增,对遂道工程建设提出了更高程度机械化的要求,目前大量的新技术、新工艺以及相关的大型机械的引进、研制及推广,己为隧道工程的更高程度机械化提供了一定基础。因此,在现有理论及技术环境下急需寻求一种安全、合理、经济及对环境影响小的设汁施工方法。复杂环境条件下浅覆软弱围岩遂道作为隧道工程的难点,常受到重点关注,其施工方法主要有明挖法、盖挖法、暗挖法、盾构法等,各种方法均有各自的优、缺点以及适用范围。明挖法对周边场地的要求很高,在城市环境中一般难以具备此条件;盖挖法,主体结构的施工质量保证难度大,且造价较高,因此这两种方法在燧道工程中应用相对较少。盾构法能保证较小的地层损失率,满足环境对地层变形的高要求,且机械化程度高,应用较多,发展前景广阔。但当隧道太短时经济性欠佳,在特大断面的隧道(或地下工程)中难以实现,且对不均匀地层及断面变化的适应性较差,缺乏灵活性,无法适应所有的软弱围岩隧道。而暗挖法对各种地层及断面形式的隧道有较强的适应性,可以弥补盾构法的不足,因此在浅覆软弱围岩遂道建设中,盾构法及暗挖法综合可望较好完成建设任务。暗挖法是浅覆软弱地层隧道工程应用较多且成熟的施工方法,具有灵活多变、不扰民、对环境及交通影响小等优点,但该方法对地层及周边环境扰动相对较大,即使选用分部的短台阶开挖,隧道稳定性也相对较差,当地层富水时,这种情况将表现的更加突出,难以满足环境对地层变形的控制标准。
………….


1.2隧道围岩预支护(加固)方法简述
要满足浅覆软弱遂道围岩稳定及环境对其的高要求,进行预支护(加固)是必要手段之一,意大利人Lunardi教授在研究围岩的压力拱及新奥法施工理论的基础上提出 了 ADECO-RS 工法 (Analysis of Controlled Deformations in Rocks andSoils—变形控制分析法)。该法采用新型的地下工程概念,基于掌子面前方岩土体系的应力一应变分析将围岩分为A、B、C三个等级,对于C级围岩,特别强调超前核心岩土的预加固及变形监测,掌握变形反应,从而达到保证隧道掌子面稳定和控制变形的目的。和新奥法相比主要有以下特点,(1)可实现全断面幵挖,全断面开挖作业空间大,干扰小;开挖一次成形,对围岩的扰动次数少,利于围岩自稳性能的发挥;工序少,便于施工组织与管理;有条件充分利用机械,减少人力同时改善工人劳动环境,实现隧道建设的工业化、机械化,大大提高生产力,产生经济、社会效益。因此,Rabcewicz、Lunardi、Tonon[4]等主张隧道建设应尽可能釆用全断面方法开挖。(2)地层适应性强,特别是对难以形成自然拱效应的松散围岩(C级)有显著的优越性。(3)软弱地层大断面隧道优势明显,与“CRD”工法、眼镜工法相比,其安全性、施工质量、施工进度都具有较大的优越性。然而上述特点是以对掌子面核心岩土的分析、加固、监测为前提的,掌子面核心岩土的加固技术则成了该方法的首要任务。
………


2浅覆软弱围岩隧道地层变形特征及变形控制研究


2.1引言
软弱围岩的含义比较广,目前有多种解释,1981年“国际软岩学术讨论会”规定软弱、破碎和风化岩石为软岩,国际岩石力学学会(ISRM)定义单轴抗压强度在0.5-25MPa的岩石为软岩[i4i]。大体可分为描述性定义、指标化定义和工程定义,目前普遍采用的软岩定义多为地质学描述,是指强度低、孔隙率大、胶结程度差受风化及构造切割影响显著或含有大量的泥质、炭质、點土矿物的松、散、软、弱岩层。而工程定义是指在工程力作用下产生显著點、塑性变形的工程岩体,具有松软、松散等低强度特点,而此处强度指的是包括结构面的岩土体的强度,其不同于岩石的强度,也异于结构面的强度,而是受到岩石强度、结构面强度、岩体结构及其赋存环境等多因素影响。隧道工程的软弱围岩,常指包括软弱、破碎、富水等不良地质条件下的围岩,而本文研究隧道工程中的浅覆软弱围岩为仅采用常规的初期支护及小导管支护不能达到控制围岩变形标准,而需要釆用有针对性的控制措施的土体。软弱围岩隧道常表现为围岩变形大的特点,严重时引起妈塌等安全事故,在浅覆条件下,将对地表产生较严重影响,不能满足复杂环境下变形控制要求,甚至引起遂道围岩失稳及周边环境的破坏,因此往往需要对围岩采取预支护(力口固)措施。然而在具体工程中,如何选择合理、有效且经济的预支护(加固)手段及参数,则需要建立在对软弱围岩遂道的变形特征深刻认识的基础上。为此,对软弱围岩遂道变形特征进行总结,影响因素进行分类,典型因素进行定量分析,据此提出不同条件下,预支护(加固)手段选择的基本原则;进一步对软弱围岩隧道破坏模式进行总结,据此对隧道预支护(加固)范围初步确定。
…………


2.2浅覆软弱隧道围岩变形特征
隧道围岩因其组成成份的多样性、不均匀性、结构的不连续性、赋存环境的不稳定性等原因而极其复杂,从而导致隧道工程中围岩变形的复杂性。然从变形机制来分,总体可分为结构变形及材料变形两类,结构变形的主要表现形式有结构面的张开(或闭合)及滑动、块状围岩的滚动、层状围岩的弯屈等;材料变形的主要表现形式则有围岩弹性、塑性及粘性变形[5]。前者多存在于岩质遂道中,少见于土质遂道,而工程上存在的软弱破碎的岩质隧道结构变形机制也不显著。本文研究对象为浅覆软弱围岩遂道,该类隧道围岩变形以弹塑性变形为主,粘性变形主要发生在流变性相对显著的围岩中,因此本文所指围岩变形指狭义的弹塑性变形。本节将对浅覆软弱围岩遂道变形特征进行总结。以遂道掌子面为界可将隧道围岩变形在空间上分为三部分:掌子面前方的超前变形、掌子面的挤出变形、掌子面后方变形,如图2-1所示,且三部分变形同时发生。当遇到周边环境对变形要求较高的软弱围岩隧道工程时,控制这些变形显得尤为重要,为实现变形控制的科学与高效性,有必要对上述三部分变形的形成机制及发展规律进行研究。
……….


3隧道长管棚超前预支护现场测试及数值分析........ 38
3.1 引言 ........  38
3.2石头岗遂道下穿衡昆高速浅覆工程........ 38
3.2.1工程概况 ........38
3.2.2管棚超前预支护效果 ........41
3.3长大管棚内力测试及分析........ 42
3.4管棚力学机理的数值研究........ 52
3.5管棚受力影响因素的数值克服........ 67
3.6本章小结 ........70
4隧道管棚超前预支护作用弹性地基梁模型研究........ 71
4.1 引言 ........71
4.2管棚预支护结构力学模型既有研究分析........ 71
4.3改进的管棚地基梁模型 ........73
4.3.1改进模型考虑的因素........ 73
4.3.2改进模型的提出........ 74
4.4改进的管棚弹性地基梁模型简化求解........ 77
4.5本章小结........ 97
5富水软弱地层水平旋喷隧道超前预支护作用研究........ 99
5.1引言 ........99
5.2江门隧道下穿泄洪道超浅覆工程 ........99
5.3水平旋喷预支护效果及力学机理分析........ 103
5.4水平旋喷技术的缺陷及克服........ 113
5.5本章小结........ 128


6浅覆遂道超前预支护设计与施工技术应用探讨


6.1管棚超前支护的设计与施工
管棚因其超前承载能力与注装加固,可以减小掌子面前方围岩受力与变形,对地表及地中沉降有显著的抑制效果,在复杂环境下的软弱围岩中得以广泛的应用。针对不同条件业内提出了不同的管棚预支护,按照管棚长度可分为长管棚、短管棚;按钢管直径则可分为小管棚、中管棚、大管棚;按钢管布置层数分为单层和双层管棚;按照是否注裝则分为注菜管棚与不注榮管棚,另外还有很多其他的分类依据的各类管棚。不同类管棚适用于不同具体工程,本节对适用于围岩压力较大或者变形控制较严格地层的长大管棚设计与施工进行探讨。