黄土塬区围岩渗流特性对隧道稳定性影响研究

发布时间：2020-05-31 14:17

【摘要】：隧道是黄土地区高速铁路、高等级公路建设中的关键性工程之一,对高速铁路大断面黄土隧道而言,隧道围岩的渗透特性和含水量变化不仅影响掌子面土体强度与变形特性,而且影响围岩稳定性和地表沉陷,直接关系到隧道施工的开挖方法,以及设置合理的超前支护、初期支护和二衬支护。因此,隧道围岩渗透特性研究和含水率监测对确定隧道初期支护时机、选择支护措施、确保围岩稳定性和施工安全均具有重要的意义。本文依托“银西高速铁路”黄土塬区隧道工程,采用理论分析、现场监测和数值模拟等手段,对软塑黄土、湿陷性黄土、红黏土和古土壤层等4种典型地层条件下隧道围岩的渗流特性及其对隧道稳定性的影响开展系统研究,论文主要研究工作及成果如下:(1)总结得出黄土塬区隧道围岩的地层结构与地下水分布规律、不同地层的工程特性;分析黄土塬区4种典型地层对隧道施工安全的影响,在此基础上进行隧道测试断面的选定。(2)围岩地层的含水率呈现明显的“增长期”和“平稳期”两阶段变化趋势,增长期一般2周左右,之后进入平稳期。隧道拱顶和拱腰位置的围岩含水率总体上小于拱脚和仰拱底部位置的含水率;稳定期内仰拱位置的围岩含水率在整个断面上数值最大,增长期内拱脚和仰拱位置的围岩含水率增幅高于拱腰位置的围岩含水率增幅;对于黄土塬区大断面隧道应及时施作仰拱,以及“勤测含水率、重视防排水、加强初支”的施工管理理念。(3)施工期内钢拱架应力呈先非线性增大、后出现波动和最后趋于平稳的三阶段变化规律;初期支护到二衬施作之前,钢拱架在发挥承受围岩压力、保证围岩稳定性方面起到重要作用。根据软塑黄土围岩含水率变化及其对施工影响的监测结果,钢拱架受力及发挥承载能力的增长期一般长达3~4周,比围岩含水率的增长期略长1~2周。(4)围岩压力增长速率表现为先急剧增长、后缓慢增长和最终趋于稳定,初期支护闭合后围岩压力的增长放缓。隧道边墙位置的围岩压力较大,其次为拱顶,拱底的围岩压力最小。隧道拱顶沉降呈现先急剧增长、后缓慢增长趋势,与围岩含水率的增长规律类似。黄土塬区4种典型地层中湿陷性黄土隧道拱顶沉降量最大,其次为红黏土与湿陷性黄土,古土壤隧道拱顶沉降最小。(5)受降雨渗流影响,黄土隧道轮廓线内的地表沉降总体上增大约30%;隧道中线处的地表沉降受降雨影响最大,中线两侧的地表沉降所受影响较小,最大影响范围为距开挖边线约10m;降雨时地表变形稳定周期,比未降雨时增大2天。(6)总结介绍渗流、渗流-应力耦合计算的基本原理与基本方程,为黄土塬区隧道施工过程中的应力场与渗流场耦合数值计算提供了理论基础。采用Midas/GTS有限元分析软件,对渗流作用下隧道稳定性进行计算分析,并将计算结果与现场实测值进行对比,验证了数值模拟的合理性;渗流-应力耦合条件下拱顶沉降量增大24%,拱底隆起量增大21%,水平收敛值增大17%;渗流对上台阶掌子面挤出位移有明显影响,掌子面挤出位移增大34.7mm,涨幅为16.2%。渗流-应力耦合条件下初期支护结构的最大拉应力出现在隧道拱脚处,比非耦合时增大0.42Mpa;渗流作用对锚杆受力状态和受力大小影响不明显。富水黄土大断面隧道设置泄水洞,既可减小围岩水压力、改善开挖期间围岩的渗流场,也对隧道基底隆起有较好的改善效果。
【图文】：

技术路线图,隧道稳定性,黄土塬区,渗流特性

技术路线图

董志塬

2 董志塬区隧道工程概况陇东黄土塬又称之为“董志塬”，是目前世界上黄土高原保存最为完整、面积最的黄土塬，被誉为“天下黄土第一塬”[33]。塬区南北长约 80km，东西宽 18～36km，积约 2200km2，董志塬区地形地貌见图 2-1。塬面分布巨厚层黄土，一般塬心平坦，塬边比较破碎，冲沟、斜坡等在塬边缘比较发育。随着西部大开发的进行，西北黄土区在地理位置、经济、资源等方面显现出重要的地位和作用，黄土塬地区的工程建设高速铁路建设也迅速发展。银川至西安高速铁路经过宁夏、甘肃、陕西三省区(如图 2-2 所示)，是国家“八八横”高速铁路网的重要组成部分，总长度约 620km，线路由南向北纵贯整个董志塬通过黄土塬区里程长度约 90km。通过沿线大规模的勘探和试验，揭示了董志塬区的整地层结构[34]，勘探显示该区域地层不仅广泛分布黄土，还有红黏土、古土壤具有特工程性质地层，，在黄土塬区铁路建设及运营过程中由这些特殊土的工程特性引起的工地质问题已成为了的重点及难点控制因素，因此对黄土塬区不同地层工程特性进行系分析研究具有重要的现实意义。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U451.2

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