高原高寒隧道围岩冻胀行为及施工对策研究

发布时间：2020-02-01 08:18

【摘要】：目前我国已在冻土地区修建了较多隧道工程,但冻土地区隧道冻害理论尚不完善。主要表现在,对冻土隧道施工中普遍关心的气候特征、围岩温度场的监测以及隧道冻胀变形关注的较少,且大多研究均以多年冻土为背景,对季节性冻土的研究较少。同时我国现有的隧道设计规范中并未考虑震后松动岩体对隧道围岩压力和冻害的影响,对震后岩体工程特性也未提及,论文将这一问题作为新的研究方向单独提了出来。本文以新建兰新铁路金瑶岭隧道、元山隧道和川西高原汶-马高速鹧鸪山隧道以及5.12地震灾区唐家山隧道为工程依托,结合实验室试验和现场测试,采用理论分析和数值模拟等方法,就上述问题展开了研究,主要研究内容和成果体现在以下几个方面：(1)通过对高原环境气候监测,得到了寒区气温年变化规律以及冻土冻结深度变化规律；通过微观结构扫描电镜分析,揭示了冻胀对岩石微观结构的劣化损伤；同时泥岩的单轴抗压强度试验表明,冻胀对岩体的力学性质有较大的影响。(2)基于长期的现场测试和有限差分软件探讨了不同季节的围岩温度变化规律,得到了不同条件下的围岩最大冻结深度；分析得出不同径向深度的围岩温度受环境变化影响程度有所不同,其温度变化趋势也并不协调一致。(3)通过归纳总结岩石及围岩-支护体系的冻胀变形机理,建立了寒区隧道冻胀变形的综合分析方法。利用有限差分软件FLAC3D得到了季节性冻土隧道围岩冻结锋面的扩展规律。在持续低温作用下,冻结锋面由洞壁向深处逐渐扩展,其发展规律与冻结时间和冻结温度密切相关,冻结时间越长、温度越低,锋面推进速率越快、最终推进深度也就越大,在-15℃环境气温下,冻结速率为5 cm/d。(4)利用有限差分软件FLAC3D,探讨了不同冻结条件下的围岩稳定性。冻结温度越低、寒季暴露时间越长,围岩冻胀变形就越大。此外冻胀变形还与该断面的初始开挖时间有关,开挖断面在寒季到来前存储的热能越大,围岩发生的冻胀变形也就越小。实际工程应用中,应尽量控制围岩暴露在低温环境中的时间,并尽量选择在暖季进行易受冻胀影响段的开挖工作。(5)基于波动理论和摩尔库伦破坏准则,推导了地震动力影响下,地表岩体破坏深度的解析公式,并根据该公式分析了5.12汶川地震中不同烈度区的岩体破坏深度。总结了震后松动岩体的工程特性,其主要表现为岩体结构松散、弹性波速低、渗透系数大,RQD普遍在30%以下,弹性纵波速波速普遍在3000m/s以下,岩体渗透系数最大达1.41E-02cm/s,最小为9.26E-05cm/s,其最小值尚比受地震影响较小的岩体最大渗透系数高出一个数量级。(6)考虑岩体弹性波速和密度,提出了松动岩体的判定和分级标准。将密度降低幅度a7%,岩体纵波波速Vp3000m/s,作为5.12地震震后岩体松动判定标准,同时以密度降幅每增加5%为一个等级,将松动岩体划分为三个等级,即：(1)轻微松动(2500m/sVp3000m/s,7.4%a13%); (2)中等松动(2000m/sVp2500m/s,13%a18%);(3)强烈松动(Vp2000m/s, a18%)。(7)提出了不同松动等级岩体深度的两种确定方法：一是,通过岩体波速测试,分析其纵波波速和密度所对应的区间范围来确定。二是,参照以往研究成果,根据不同松动等级岩体在深度上所占比例,结合5.2节所推导的地震力对岩体破坏深度的计算公式来确定。同时,本文采用第二种方法计算得出了汶川地震震后不同松动等级岩体的深度范围。(8)提出将强烈松动岩体自重全部以荷载的形式作用在隧道支护结构或上覆地层上的力学概念。只有当隧道埋深处于超浅埋与浅埋以及浅埋与深埋分界附近时,强烈松动体才对隧道围岩压力产生影响；其根本原因在于,强烈松动岩体的存在改变了原有隧道深浅埋分界界限,按等效埋深划分的分界值为：原分界深度+强烈松动区厚度。(9)震后松动岩体的存在对冻土隧道的冻害产生和发展有一定影响,主要体现在两个方面：一是,岩体松动,使得冻胀率增大；二是,节理裂隙的产生改变了地层原有的渗流特性,为水冰相变过程中的水分补给提供了便利的迁移通道,为隧道冻害的产生和发展提供了有利条件。
【图文】：

大板山,隧道,冻胀,混凝

逑纵向、环向Ｗ及斜向裂缝，裂缝最宽处达３ｃｍ，最长则为１５ｍ，，混凝±剥落、掉块也逡逑时有发生，如图１－２所示；新疆国道Ｇ２１７天山二号隧道，由于渗水严重，衬彻受水逡逑侵蚀，边墙与拱部普遍出现结冰、挂冰冻害，仅使用一年后隧道便宣布报废，不得不逡逑改线重建，造成了极大的资源浪费；甘肃的毛道梁隧道最终被迫采用向洞内输送暖气逡逑的方式，才缓解了衬硕结构的渗漏水和冻胀；吉林密江隧道和迁宁八盘岭隧道也曾因逡逑渗漏水而不得不在二衬内侧附加衬彻。此外由于施工措施不当，有些冻害与隧道施工逡逑同步发生，甚至出现边建边维修的被动局面，如我国东北牙林线岭顶隧道、翠岭二号逡逑隧道及嫩林线西罗奇１、２号隧道。目前尚未完工的兰新二线祁连山隧道在施工期间也逡逑发生了严重的隧道冻害，由于渗水严重，出现了罕见的挂冰、冰柱现象，如图１－３所逡逑图１－２大板山隧道混凝±冻胀剥落逦图１－３祁连山隧道洞内渗漏水挂冰逡逑由此可见，隧道的冻害防治解决不好，不仅难Ｗ保证后期运营的安全，甚至在施逡逑工期间就会出现重大安全隐患。目前虽然我国已在冻止地区修建了较多隧道工程

渗漏水,隧道,祁连山,洞内

逑纵向、环向Ｗ及斜向裂缝，裂缝最宽处达３ｃｍ，最长则为１５ｍ，混凝±剥落、掉块也逡逑时有发生，如图１－２所示；新疆国道Ｇ２１７天山二号隧道，由于渗水严重，衬彻受水逡逑侵蚀，边墙与拱部普遍出现结冰、挂冰冻害，仅使用一年后隧道便宣布报废，不得不逡逑改线重建，造成了极大的资源浪费；甘肃的毛道梁隧道最终被迫采用向洞内输送暖气逡逑的方式，才缓解了衬硕结构的渗漏水和冻胀；吉林密江隧道和迁宁八盘岭隧道也曾因逡逑渗漏水而不得不在二衬内侧附加衬彻。此外由于施工措施不当，有些冻害与隧道施工逡逑同步发生，甚至出现边建边维修的被动局面，如我国东北牙林线岭顶隧道、翠岭二号逡逑隧道及嫩林线西罗奇１、２号隧道。目前尚未完工的兰新二线祁连山隧道在施工期间也逡逑发生了严重的隧道冻害，由于渗水严重，出现了罕见的挂冰、冰柱现象，如图１－３所逡逑图１－２大板山隧道混凝±冻胀剥落逦图１－３祁连山隧道洞内渗漏水挂冰逡逑由此可见，隧道的冻害防治解决不好，不仅难Ｗ保证后期运营的安全，甚至在施逡逑工期间就会出现重大安全隐患。目前虽然我国已在冻止地区修建了较多隧道工程
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U451.2;U455.4

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