【摘要】：隧道是黃土地區(qū)高速鐵路、高等級公路建設(shè)中的關(guān)鍵性工程之一,對高速鐵路大斷面黃土隧道而言,隧道圍巖的滲透特性和含水量變化不僅影響掌子面土體強(qiáng)度與變形特性,而且影響圍巖穩(wěn)定性和地表沉陷,直接關(guān)系到隧道施工的開挖方法,以及設(shè)置合理的超前支護(hù)、初期支護(hù)和二襯支護(hù)。因此,隧道圍巖滲透特性研究和含水率監(jiān)測對確定隧道初期支護(hù)時機(jī)、選擇支護(hù)措施、確保圍巖穩(wěn)定性和施工安全均具有重要的意義。本文依托“銀西高速鐵路”黃土塬區(qū)隧道工程,采用理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬等手段,對軟塑黃土、濕陷性黃土、紅黏土和古土壤層等4種典型地層條件下隧道圍巖的滲流特性及其對隧道穩(wěn)定性的影響開展系統(tǒng)研究,論文主要研究工作及成果如下:(1)總結(jié)得出黃土塬區(qū)隧道圍巖的地層結(jié)構(gòu)與地下水分布規(guī)律、不同地層的工程特性;分析黃土塬區(qū)4種典型地層對隧道施工安全的影響,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行隧道測試斷面的選定。(2)圍巖地層的含水率呈現(xiàn)明顯的“增長期”和“平穩(wěn)期”兩階段變化趨勢,增長期一般2周左右,之后進(jìn)入平穩(wěn)期。隧道拱頂和拱腰位置的圍巖含水率總體上小于拱腳和仰拱底部位置的含水率;穩(wěn)定期內(nèi)仰拱位置的圍巖含水率在整個斷面上數(shù)值最大,增長期內(nèi)拱腳和仰拱位置的圍巖含水率增幅高于拱腰位置的圍巖含水率增幅;對于黃土塬區(qū)大斷面隧道應(yīng)及時施作仰拱,以及“勤測含水率、重視防排水、加強(qiáng)初支”的施工管理理念。(3)施工期內(nèi)鋼拱架應(yīng)力呈先非線性增大、后出現(xiàn)波動和最后趨于平穩(wěn)的三階段變化規(guī)律;初期支護(hù)到二襯施作之前,鋼拱架在發(fā)揮承受圍巖壓力、保證圍巖穩(wěn)定性方面起到重要作用。根據(jù)軟塑黃土圍巖含水率變化及其對施工影響的監(jiān)測結(jié)果,鋼拱架受力及發(fā)揮承載能力的增長期一般長達(dá)3~4周,比圍巖含水率的增長期略長1~2周。(4)圍巖壓力增長速率表現(xiàn)為先急劇增長、后緩慢增長和最終趨于穩(wěn)定,初期支護(hù)閉合后圍巖壓力的增長放緩。隧道邊墻位置的圍巖壓力較大,其次為拱頂,拱底的圍巖壓力最小。隧道拱頂沉降呈現(xiàn)先急劇增長、后緩慢增長趨勢,與圍巖含水率的增長規(guī)律類似。黃土塬區(qū)4種典型地層中濕陷性黃土隧道拱頂沉降量最大,其次為紅黏土與濕陷性黃土,古土壤隧道拱頂沉降最小。(5)受降雨滲流影響,黃土隧道輪廓線內(nèi)的地表沉降總體上增大約30%;隧道中線處的地表沉降受降雨影響最大,中線兩側(cè)的地表沉降所受影響較小,最大影響范圍為距開挖邊線約10m;降雨時地表變形穩(wěn)定周期,比未降雨時增大2天。(6)總結(jié)介紹滲流、滲流-應(yīng)力耦合計(jì)算的基本原理與基本方程,為黃土塬區(qū)隧道施工過程中的應(yīng)力場與滲流場耦合數(shù)值計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。采用Midas/GTS有限元分析軟件,對滲流作用下隧道穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析,并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行對比,驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性;滲流-應(yīng)力耦合條件下拱頂沉降量增大24%,拱底隆起量增大21%,水平收斂值增大17%;滲流對上臺階掌子面擠出位移有明顯影響,掌子面擠出位移增大34.7mm,漲幅為16.2%。滲流-應(yīng)力耦合條件下初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱腳處,比非耦合時增大0.42Mpa;滲流作用對錨桿受力狀態(tài)和受力大小影響不明顯。富水黃土大斷面隧道設(shè)置泄水洞,既可減小圍巖水壓力、改善開挖期間圍巖的滲流場,也對隧道基底隆起有較好的改善效果。
【圖文】：

技術(shù)路線圖

2 董志塬區(qū)隧道工程概況隴東黃土塬又稱之為“董志塬”，是目前世界上黃土高原保存最為完整、面積最的黃土塬，被譽(yù)為“天下黃土第一塬”[33]。塬區(qū)南北長約 80km，東西寬 18～36km，積約 2200km2，董志塬區(qū)地形地貌見圖 2-1。塬面分布巨厚層黃土，一般塬心平坦，塬邊比較破碎，沖溝、斜坡等在塬邊緣比較發(fā)育。隨著西部大開發(fā)的進(jìn)行，西北黃土區(qū)在地理位置、經(jīng)濟(jì)、資源等方面顯現(xiàn)出重要的地位和作用，黃土塬地區(qū)的工程建設(shè)高速鐵路建設(shè)也迅速發(fā)展。銀川至西安高速鐵路經(jīng)過寧夏、甘肅、陜西三省區(qū)(如圖 2-2 所示)，是國家“八八橫”高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分，總長度約 620km，線路由南向北縱貫整個董志塬通過黃土塬區(qū)里程長度約 90km。通過沿線大規(guī)模的勘探和試驗(yàn)，揭示了董志塬區(qū)的整地層結(jié)構(gòu)[34]，勘探顯示該區(qū)域地層不僅廣泛分布黃土，還有紅黏土、古土壤具有特工程性質(zhì)地層，，在黃土塬區(qū)鐵路建設(shè)及運(yùn)營過程中由這些特殊土的工程特性引起的工地質(zhì)問題已成為了的重點(diǎn)及難點(diǎn)控制因素，因此對黃土塬區(qū)不同地層工程特性進(jìn)行系分析研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U451.2

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本文編號：2689982