昔格达组地层大断面隧道变形规律及结构受力特征研究

发布时间：2017-07-25 23:14

  本文关键词：昔格达组地层大断面隧道变形规律及结构受力特征研究

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【摘要】：昔格达组地层是一种分布于我国西南地区的河湖相沉积半成岩,水稳性差,遇水易泥化、崩解,强度大幅度降低。在隧道开挖过程中易产生围岩大变形,初期支护结构开裂、掉块、坍塌冒顶等灾害事故。因此,在该地层中进行大断面交通隧道建设,面临着一系列亟待解决的问题。比如昔格达组地层围岩变形规律；围岩压力分布规律；二次衬砌分担围岩压力的比例范围；支护结构强度安全性；施工工法和围岩强度劣化对昔格达组地层大断面隧道围岩变形、支护结构受力的影响；围岩变形的控制措施等。因此,本文以改建铁路成都至昆明线米易至攀枝花段MPZQ-2标段桐梓林隧道为依托,通过文献调研、理论分析、室内物理力学特性试验、现场测试以及数值模拟等手段,对以上问题展开了相关研究,并得到以下主要研究成果。(1)在昔格达组土样室内物理力学特性试验的基础上,选取桐梓林隧道进口埋深45m范围内五个监测断面,测试隧道支护结构变形和受力情况,并结合数值模拟方法,研究昔格达组地层大断面隧道围岩变形规律和支护结构受力特征。研究结果表明：昔格达组地层大断面隧道洞周围岩变形以竖向沉降为主,拱顶沉降超前影响范围为1.3倍洞径,水平收敛超前影响范围为1.7倍洞径；隧道开挖后拱顶沉降预测公式U=102.15·exp(-5.33/X,拱脚水平收敛预测公式L1=19.55·exp(-7.49/X,墙腰水平收敛预测公式L2=17.86·exp(-23.26/X;掌子面后方隧道变形主要受中台阶开挖的影响；推荐采用《铁路隧道设计规范》来计算昔格达组地层大断面深埋隧道的围岩压力；钢架断面处二次衬砌分担围岩压力的比例范围为37.7%-54.3%,喷射混凝土断面处二次衬砌分担围岩压力的比例范围为39.7%-64.5%；喷射混凝土结构内力约为钢架结构内力的1/10。(2)通过数值仿真模拟,研究不同施工工法对昔格达组地层围岩变形和支护结构受力的影响规律。研究结果表明：不同施工工法对昔格达组地层隧道拱顶沉降影响最大；当隧道设计预留变形量为10cm-15cm时,推荐优先选择三台阶临时仰拱法；当隧道设计预留变形量为10cm以内时,推荐优先选择CRD法。(3)鉴于昔格达组地层遇水易泥化、崩解、强度大幅度降低等特征,运用数值模拟手段研究昔格达组地层围岩强度劣化对隧道围岩变形和支护结构受力的影响。研究结果表明：隧道开挖轮廓线外0.25倍洞径范围内围岩强度,对于控制昔格达组地层隧道洞周变形很重要；当围岩强度劣化系数超过2.0时,隧道围岩有失稳的可能；隧道开挖轮廓线以内的围岩强度对于控制掌子面挤出变形非常重要；为了有效控制掌子面挤出变形、保障隧道掌子面的稳定性,建议将围岩强度劣化系数控制在1.5以内。(4)采用数值模拟方法从围岩预变形、掌子面挤出变形以及掌子面后方隧道变形三方面,研究了预衬砌、加固超前核心土、掌子面喷射混凝土、改善喷射混凝土性能、优化钢架间距等措施,对昔格达组地层大断面隧道围岩变形的控制效果；并结合现场实际情况,总结了昔格达组地层隧道灾变应对措施。
【关键词】：昔格达组地层 大断面隧道 变形规律 受力 现场监测 数值模拟
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-25
• 1.1 问题的提出及研究意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 昔格达组地层研究现状13-14
• 1.2.2 层状围岩隧道变形规律研究现状14-15
• 1.2.3 支护结构作用机理研究现状15-17
• 1.3 依托工程背景17-22
• 1.3.1 隧道概况17-18
• 1.3.2 地形及地质概况18-19
• 1.3.3 气象特征19-20
• 1.3.4 支护设计与施工方法20-21
• 1.3.5 依托工程重难点21-22
• 1.4 研究内容和方法22-25
• 1.4.1 研究内容22
• 1.4.2 研究方法22-23
• 1.4.3 技术路线23-25
• 第2章 昔格达组地层隧道试验段现场监测25-40
• 2.1 监测目的25
• 2.2 监测内容及方法25-28
• 2.2.1 监测内容25-26
• 2.2.2 测点布置26
• 2.2.3 监测方法26-28
• 2.3 监测结果及分析28-38
• 2.3.1 隧道拱顶沉降分析28-29
• 2.3.2 隧道水平收敛分析29-33
• 2.3.3 围岩压力分布规律33-36
• 2.3.4 次衬砌结构内力分析36-38
• 2.4 本章小结38-40
• 第3章 昔格达组地层隧道变形及受力特征研究40-66
• 3.1 计算模型及参数40-42
• 3.1.1 计算假定40-41
• 3.1.2 计算模型41-42
• 3.1.3 计算参数42
• 3.2 昔格达组地层隧道围岩变形规律42-50
• 3.2.1 隧道拱顶沉降规律42-44
• 3.2.2 隧道洞内水平收敛规律44-46
• 3.2.3 隧道掌子面挤出变形规律46-50
• 3.3 昔格达组地层隧道围岩压力分布规律50-58
• 3.3.1 隧道围岩压力计算方法50-54
• 3.3.2 隧道围岩压力数值模拟结果54-56
• 3.3.3 隧道围岩压力计算图式56-58
• 3.4 昔格达组地层隧道初期支护结构受力分析58-61
• 3.4.1 初期支护结构受力时空效应分析58-60
• 3.4.2 初期支护结构安全性分析60-61
• 3.5 昔格达组地层隧道二次衬砌结构受力分析61-64
• 3.5.1 二次衬砌分担围岩压力比例分析61-63
• 3.5.2 二次衬砌结构受力及安全性分析63-64
• 3.6 本章小结64-66
• 第4章 昔格达组地层隧道变形及结构受力影响因素分析66-94
• 4.1 施工工法对隧道围岩变形及支护结构受力的影响66-80
• 4.1.1 隧道洞周围岩变形分析67-68
• 4.1.2 隧道掌子面挤出变形分析68-72
• 4.1.3 初期支护结构受力分析72-76
• 4.1.4 二次衬砌结构内力分析76-80
• 4.2 围岩强度劣化对隧道围岩变形及支护结构受力的影响80-92
• 4.2.1 隧道洞周围岩变形分析80-83
• 4.2.2 隧道掌子面挤出变形分析83-84
• 4.2.3 初期支护结构受力分析84-88
• 4.2.4 二次衬砌结构内力分析88-92
• 4.3 本章小结92-94
• 第5章 昔格达组地层大断面隧道围岩变形控制措施94-111
• 5.1 掌子面前方围岩预变形控制措施94-96
• 5.1.1 控制掌子面前方围岩预变形的方法94-95
• 5.1.2 预衬砌法支护效果分析95-96
• 5.2 掌子面挤出变形控制措施96-99
• 5.2.1 控制掌子面挤出变形的方法96-97
• 5.2.2 加固超前核心土控制效果分析97-98
• 5.2.3 掌子面喷射混凝土控制效果分析98-99
• 5.3 掌子面后方隧道变形控制措施99-103
• 5.3.1 控制掌子面后方隧道变形的方法99-100
• 5.3.2 不同钢架间距控制效果分析100-102
• 5.3.3 不同喷射混凝土性能控制效果分析102-103
• 5.4 昔格达组地层隧道灾变应对措施103-109
• 5.4.1 隧道塌方冒顶103-106
• 5.4.2 隧道基底泥化106-108
• 5.4.3 支护结构失稳108-109
• 5.5 本章小结109-111
• 结论与展望111-115
• 结论111-114
• 展望114-115
• 致谢115-116
• 参考文献116-121
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果121

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本文编号：573737