近飽和黃土大斷面隧道變形控制研究.pdf

1、隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路的快速發(fā)展，隧道開(kāi)挖斷面也不斷增大，而富水大斷面黃土隧道，由于土體強(qiáng)度低，變形大，自承能力小;且在受水的影響十分強(qiáng)烈，一旦被水浸泡，黃土強(qiáng)度驟減將誘發(fā)初期支護(hù)沉降變形過(guò)大，圍巖長(zhǎng)時(shí)間難于穩(wěn)定等問(wèn)題。如何在富水大斷面黃土隧道施工中，尋求一套科學(xué)、安全、快速的施工方法成為目前亟待解決的問(wèn)題。論文針對(duì)鄭西鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)張茅隧道開(kāi)挖斷面大、富水飽和、黃土遇水成泥、沉降變形大、易塌方、工程地質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、快速施工的

2、目的，進(jìn)行了富水黃土大斷面隧道圍巖變形規(guī)律及其施工控制方法的研究。
　　(1)對(duì)張茅隧道的近飽和黃土地層的工程性質(zhì)進(jìn)行了調(diào)查、測(cè)試和分析研究，張茅隧道洞身主要為第四系中更新統(tǒng)(Q2)老黃土，以黏質(zhì)黃土為主，含水量高達(dá)20％，飽和度達(dá)92％，具有弱～中膨脹性，屬Ⅳb級(jí)圍巖，且隧道開(kāi)挖跨度大、斷面大，施工難度遠(yuǎn)大于修建同類(lèi)型的一般黃土隧道，必須采取合理有效的施工方法和工程措施。在富水黃土地層中開(kāi)挖隧道后，由于黃土的崩解性、濕陷性和弱膨

3、脹性，在富水的作用下，土體開(kāi)挖后會(huì)迅速崩解，強(qiáng)度驟然降低，圍巖自穩(wěn)能力極大消減;隧道開(kāi)挖后土體容易順著節(jié)理脹松或剪斷，出現(xiàn)片幫和頂部塌方;選擇合理的開(kāi)挖方法是確保此類(lèi)地質(zhì)條件的大斷面隧道安全的保障。
　　(2)通過(guò)對(duì)CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺(tái)階七步開(kāi)挖法的比較分析，得到了三臺(tái)階七步開(kāi)挖法的變形值略大于CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，但三臺(tái)階七步開(kāi)挖法進(jìn)度快，并有利于隧道盡早閉合。
　　(3)采用三維數(shù)值方法模擬分析了隧道開(kāi)

4、挖支護(hù)過(guò)程，研究了富水大斷面黃土隧道的開(kāi)挖過(guò)程圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形規(guī)律。結(jié)果表明三臺(tái)階七步開(kāi)挖法的施工過(guò)程，初期支護(hù)拉應(yīng)力集中主要發(fā)生在拱腳和拱項(xiàng);壓應(yīng)力集中主要發(fā)生在拱頂和邊墻、墻腳;初支型鋼鋼架各控制點(diǎn)內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力最大值為-127.07MPa;初期支護(hù)拱頂沉降不大，最終拱頂沉降值約為50.2mm，拱項(xiàng)沉降收斂距離約在2D左右;初期支護(hù)水平位移量值小，其中拱腳處水平位移最終值為6.3mm，邊墻中部為10.5mm，邊墻底部為10.

5、1mm;拱腳處水平相對(duì)位移的收斂距離約在1.5D左右，邊墻中部以及底部的水平位移收斂較快，收斂距離約在1D左右;
　　(4)選擇典型斷面進(jìn)行了隧道開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及規(guī)律研究，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，初支變形不大，并在初支封閉后很快趨于穩(wěn)定，而且初支的應(yīng)力及圍巖壓力也都較小，說(shuō)明了三臺(tái)階七步開(kāi)挖法適用于富水老黃土地層的大跨隧道施工。
　　(5)在數(shù)值分析規(guī)律研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，研究提出了張茅隧道

6、施工圍巖變形控制的基本技術(shù)方法，三臺(tái)階七步開(kāi)挖法開(kāi)挖施工中的基本技術(shù)參數(shù)為:上臺(tái)階3m～5m，中、下臺(tái)階4m～6m，上臺(tái)階不小于寬度的0.3倍，臺(tái)階錯(cuò)臺(tái):2～3m;上臺(tái)階進(jìn)尺不宜大于0.8～1.0m，中、下層臺(tái)階進(jìn)尺不宜大于1.5m，仰供一次開(kāi)挖施做初支護(hù)的長(zhǎng)度不宜大于2～3m;通過(guò)留核心土、開(kāi)挖面初噴3～5cm混凝土、設(shè)置超前小導(dǎo)管技術(shù)有效控制掌子面的穩(wěn)定;通過(guò)設(shè)置大拱腳、鎖腳錨桿技術(shù)控制整體沉降;施工中仰拱必須及時(shí)封閉，封閉距離為3

7、0～35m，封閉時(shí)間宜控制在15天左右;
　　(6)研究了隧道底板的變形控制水泥擠密樁處理技術(shù)，隧道地基處理完成后，垂向的地基系數(shù)增加幅度達(dá)178.3％，而隧道拱腳的各項(xiàng)物理性質(zhì)得到了明確的改善，壓縮模量的增加幅度達(dá)343.9％，孔隙比降低幅度最大達(dá)43.4％;靜力觸探和標(biāo)貫值也得到了顯著提高;仰拱的總沉降量?jī)H為80.3mm和77.3mm，預(yù)測(cè)的工后沉降量?jī)H在3mm左右，能滿(mǎn)足工后沉降的要求。
　　(7)仰拱填充面動(dòng)位移隨激

8、振頻率在21Hz之后增長(zhǎng)速率變緩，最大垂直動(dòng)位移約為0.5mm;仰拱填充面最大振動(dòng)速度為1.61mm/s;激振動(dòng)應(yīng)力大小與激振時(shí)間以及激振頻率基本無(wú)關(guān)，在30kPa激振動(dòng)壓力作用下，仰拱底部實(shí)測(cè)最大動(dòng)應(yīng)力為5.1kPa，僅仰拱填充面激振動(dòng)應(yīng)力的1/6;振動(dòng)速度衰減至0.2mm/s時(shí)的深度為仰拱填充面下約5.9m處;仰拱下黃土圍巖中的最大振動(dòng)速度為1.03mm/s。
　　(8)仰拱回填混凝土中激振應(yīng)變大小隨激振頻率的增加變化不大，可

9、以近似地認(rèn)為與激振頻率無(wú)關(guān);在仰拱填充面30kPa激振壓力和激振頻率f=5～27Hz的作用下，隧底超靜水壓幅值很小，約是隧底黃土圍巖中激振動(dòng)應(yīng)力的1/50。
　　(9)激振試驗(yàn)后，激振機(jī)下的隧底土體的每10cm貫入擊數(shù)都在40左右，說(shuō)明該處富水黃土處于堅(jiān)硬狀態(tài)，不存在軟化現(xiàn)象;試驗(yàn)前后級(jí)配曲線(xiàn)沒(méi)有明顯變化，特別是激振試驗(yàn)前后的黏粒含量沒(méi)有減小，隧底富水黃土土層不存在細(xì)化、泥化現(xiàn)象;基底黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、ψ基本沒(méi)有變化，激振對(duì)隧