超大断面软弱破碎围岩隧道施工过程优化及其应用研究

论文摘要

随着我国高速铁路和客运专线的建设,出现了大批的超大断面隧道,这些隧道的开挖断面面积往往在150m2以上,对于软弱破碎围岩,超大断面隧道的施工难度很大。若采用传统的CD法、CRD法、双侧壁导坑法或三台阶七步法等方法开挖,虽也能安全通过,但此类多分部的开挖方法必然导致施工进度缓慢,经济效益差。因此,有必要研究超大断面软弱破碎围岩的施工过程力学效应规律,优化一种快速、安全、经济的施工工法,为今后该类隧道的设计和施工提供参考。本文采用岩样室内试验、数值仿真和大型三维地质力学模型试验等手段,以兰渝铁路两水隧道为依托工程,针对V级围岩,围绕超大断面软弱破碎围岩隧道施工过程优化开展了相关研究工作。通过开展现场炭质千枚岩的室内力学试验,得出炭质千枚岩的基本力学参数、蠕变模型和蠕变参数；根据力学试验结果和现场反馈数据,开展了超大断面软弱破碎围岩隧道的数值仿真,研究该类隧道施工过程力学效应的普遍规律,得到了不同地层条件、开挖循环进尺、开挖方法下隧道围岩的力学行为；研制了炭质千枚岩相似材料、模型试验装置系统和多元信息采集系统,开展了大型三维地质力学模型试验,分别研究了台阶法有支护、全断面有支护和全断面无支护条件下隧道开挖过程的力学行为,进一步分析了不同开挖方法和支护条件下,该类隧道围岩的力学转换机理；综合分析数值仿真和模型试验的结论,提出两水隧道试验段的施工方案,即两台阶加落底的开挖方法；通过现场监测信息的反馈,对比模型试验结论,验证了该施工方案的可行性；利用前面得到的蠕变模型和蠕变参数,对试验段隧道运营期围岩和支护结构的长期稳定性进行了数值分析。研究结果表明,该类隧道采用两台阶加落底的开挖方法和相应的支护方法进行施工是合理可行的。采用该开挖工法,有效的提高了两水隧道的施工效率,且运营期间隧道的长期稳定性也可以得到保证,满足长期运行安全要求。研究成果对类似工程有重要指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 设计与施工现状
• 1.2.2 理论分析
• 1.2.3 数值仿真
• 1.2.4 模型试验
• 1.3 研究内容
• 1.4 技术路线
• 第二章 炭质千枚岩力学特性的室内试验
• 2.1 引言
• 2.2 依托工程概况
• 2.3 基本力学参数测试
• 2.3.1 测试依据
• 2.3.2 试块的制作
• 2.3.3 力学试验过程
• 2.3.4 试验结果
• 2.4 三轴蠕变试验
• 2.4.1 三轴流变仪介绍
• 2.4.2 蠕变试验方案及试验过程
• 2.4.3 蠕变试验结果分析
• 第三章 超大断面软弱破碎围岩隧道施工力学效应的数值仿真
• 3.1 引言
• 3D简介'>3.2 FLAC^3D简介
• 3.3 计算模型
• 3.4 全断面施工过程的力学效应规律
• 3.4.1 计算工况
• 3.4.2 最优开挖循环进尺分析
• 3.4.3 掌子面先行位移变化规律
• 3.4.4 不同侧压力系数下围岩变形规律
• 3.5 台阶法施工过程的力学效应规律
• 3.5.1 计算工况
• 3.5.2 台阶开挖高度的优化分析
• 3.5.3 台阶长度的优化分析
• 3.5.4 台阶法施工力学效应分析
• 第四章 软弱破碎围岩隧道施工过程优化三维地质力学模型试验
• 4.1 引言
• 4.2 相似材料的研制
• 4.2.1 炭质千枚岩相似材料的选取
• 4.2.2 炭质千枚岩相似材料试块的制作
• 4.2.3 炭质千枚岩相似材料的常规力学参数测试
• 4.3 隧道模型的制作
• 4.4 模型试验多元信息监测系统
• 4.4.1 光纤监测系统
• 4.4.2 电阻式应变监测系统
• 4.4.3 多点位移计量测系统
• 4.5 模型开挖与测试
• 4.5.1 隧道开挖步骤
• 4.5.2 隧道支护方案
• 4.6 模型试验结果分析与数值计算对比
• 4.6.1 模型试验结果分析
• 4.6.2 对应模型试验的数值计算结果分析
• 4.6.3 模型试验结果与数值计算结果的对比分析
• 4.7 本章主要结论
• 第五章 工程应用
• 5.1 引言
• 5.2 两水隧道试验段施工方案与监控量测
• 5.2.1 试验段施工方案
• 5.2.2 监测方案
• 5.2.3 监测结果
• 5.2.4 现场监测与模型试验对比
• 5.3 考虑流变的长期稳定性计算
• 5.3.1 计算目的和意义
• 5.3.2 计算模型和参数
• 5.3.3 计算结果分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间参加的科研项目
• 硕士期间主要科研成果
• 学位论文评阅及答辩情况表