高原高寒隧道震后圍巖凍脹行為及施工對(duì)策研究.pdf

1、目前我國(guó)已在凍土地區(qū)修建了較多隧道工程，但凍土地區(qū)隧道凍害理論尚不完善。主要表現(xiàn)在，對(duì)凍土隧道施工中普遍關(guān)心的氣候特征、圍巖溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)以及隧道凍脹變形關(guān)注的較少，且大多研究均以多年凍土為背景，對(duì)季節(jié)性凍土的研究較少。同時(shí)我國(guó)現(xiàn)有的隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中并未考慮震后松動(dòng)巖體對(duì)隧道圍巖壓力和凍害的影響，對(duì)震后巖體工程特性也未提及，論文將這一問題作為新的研究方向單獨(dú)提了出來。本文以新建蘭新鐵路金瑤嶺隧道、元山隧道和川西高原汶-馬高速鷓鴣山隧道以及5

2、.12地震災(zāi)區(qū)唐家山隧道為工程依托，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，采用理論分析和數(shù)值模擬等方法，就上述問題展開了研究，主要研究?jī)?nèi)容和成果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
　　(1)通過對(duì)高原環(huán)境氣候監(jiān)測(cè)，得到了寒區(qū)氣溫年變化規(guī)律以及凍土凍結(jié)深度變化規(guī)律;通過微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡分析，揭示了凍脹對(duì)巖石微觀結(jié)構(gòu)的劣化損傷;同時(shí)泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，凍脹對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)有較大的影響。
　　(2)基于長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和有限差分軟件探討了不同季節(jié)的圍

3、巖溫度變化規(guī)律，得到了不同條件下的圍巖最大凍結(jié)深度;分析得出不同徑向深度的圍巖溫度受環(huán)境變化影響程度有所不同，其溫度變化趨勢(shì)也并不協(xié)調(diào)一致。
　　(3)通過歸納總結(jié)巖石及圍巖-支護(hù)體系的凍脹變形機(jī)理，建立了寒區(qū)隧道凍脹變形的綜合分析方法。利用有限差分軟件FLAC3D得到了季節(jié)性凍土隧道圍巖凍結(jié)鋒面的擴(kuò)展規(guī)律。在持續(xù)低溫作用下，凍結(jié)鋒面由洞壁向深處逐漸擴(kuò)展，其發(fā)展規(guī)律與凍結(jié)時(shí)間和凍結(jié)溫度密切相關(guān)，凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)、溫度越低，鋒面推進(jìn)速率

4、越快、最終推進(jìn)深度也就越大，在-15℃環(huán)境氣溫下，凍結(jié)速率為5cm/d。
　　(4)利用有限差分軟件FLAC3D，探討了不同凍結(jié)條件下的圍巖穩(wěn)定性。凍結(jié)溫度越低、寒季暴露時(shí)間越長(zhǎng)，圍巖凍脹變形就越大。此外凍脹變形還與該斷面的初始開挖時(shí)間有關(guān)，開挖斷面在寒季到來前存儲(chǔ)的熱能越大，圍巖發(fā)生的凍脹變形也就越小。實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)盡量控制圍巖暴露在低溫環(huán)境中的時(shí)間，并盡量選擇在暖季進(jìn)行易受凍脹影響段的開挖工作。
　　(5)基于波動(dòng)理

5、論和摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則，推導(dǎo)了地震動(dòng)力影響下，地表巖體破壞深度的解析公式，并根據(jù)該公式分析了5.12汶川地震中不同烈度區(qū)的巖體破壞深度。總結(jié)了震后松動(dòng)巖體的工程特性，其主要表現(xiàn)為巖體結(jié)構(gòu)松散、彈性波速低、滲透系數(shù)大，RQD普遍在30％以下，彈性縱波速波速普遍在3000m/s以下，巖體滲透系數(shù)最大達(dá)1.41 E-02cm/s，最小為9.26E-05cm/s，其最小值尚比受地震影響較小的巖體最大滲透系數(shù)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　(6)考慮巖

6、體彈性波速和密度，提出了松動(dòng)巖體的判定和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。將密度降低幅度a＞7％，巖體縱波波速Vp≤3000m/s，作為5.12地震震后巖體松動(dòng)判定標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)以密度降幅每增加5％為一個(gè)等級(jí)，將松動(dòng)巖體劃分為三個(gè)等級(jí)，即:(1)輕微松動(dòng)（2500m/s＜Vp＜3000m/s，7.4％＜a＜13％）;(2)中等松動(dòng)(2000m/s＜Vp＜2500m/s，13％＜a＜18％);(3)強(qiáng)烈松動(dòng)(Vp＜2000m/s，a＞18％)。
　　(7)提出

7、了不同松動(dòng)等級(jí)巖體深度的兩種確定方法:一是，通過巖體波速測(cè)試，分析其縱波波速和密度所對(duì)應(yīng)的區(qū)間范圍來確定。二是，參照以往研究成果，根據(jù)不同松動(dòng)等級(jí)巖體在深度上所占比例，結(jié)合5.2節(jié)所推導(dǎo)的地震力對(duì)巖體破壞深度的計(jì)算公式來確定。同時(shí)，本文采用第二種方法計(jì)算得出了汶川地震震后不同松動(dòng)等級(jí)巖體的深度范圍。
　　(8)提出將強(qiáng)烈松動(dòng)巖體自重全部以荷載的形式作用在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)或上覆地層上的力學(xué)概念。只有當(dāng)隧道埋深處于超淺埋與淺埋以及淺埋與深