穿越不良地质段隧道支护衬砌优化设计研究

发布时间：2020-11-07 15:07

　　 由于工程地质的复杂性,隧道的设计选线上往往无法避免经过一些特殊地质段,更有甚者甚至整条隧道处在这种地质中,虽然现行公路隧道设计规范对其提出相关的工程措施,但是并无具体的设计参数。其设计主要采用工程类比的方法进行设计和设计变更,从而使得隧道支护衬砌结构设计参数的差异性,导致工程投资不必要的增加,甚至还存在相当大的安全隐患。对此本文首先收集各种不良地质段的设计资料并对其进行统计分析其特征,其次在原预设计支护结构设计参数的基础上,根据设计规范,结合依托工程的实际地质条件,类比我国隧道工程建设经验与技术,对该隧道处于石膏和岩溶段进行优化。本文先根据现场实际情况提出优化设计参数,再对优化方案进行安全性、可行性分析,最后再通过现场监控量测验证调整。主要研究成果有:(1)根据安全性、经济性原则依照现场反馈以及对围岩样本进行试验所得出的实际情况,对隧道预设计处于岩溶和石膏段不足之处进行优化,提出适合依托工程的设计参数。(2)运用ANSYS软件采取荷载结构法,分别对预设计与优化设计的二衬进行分析,得出各个单元的受力情况,并对混凝土受拉部位进行安全性验算,从计算结果中看出优化设计不仅在安全系数上满足规范的要求,而且相对于预设计减少了隧道建造成本。(3)运用MIDAS/GTS软件采取有限元强度折减法,通过降低C、φ值分别对预设计与优化设计的施做后的初支和二衬进行反复的计算,得到围岩安全系数,并将计算结果与围岩稳定评价标准进行对比中发现:优化设计相对于预设计不仅满足评价标准的要求,且结果与标准值相近,因此得出优化设计更适合依托工程。(4)运用现场监控量测的方法得出的数据与数值模拟的结果进行对比,发现现场所得的数据与数值模拟得出的围岩应力,排除误差结果基本吻合,验证了该优化方案适合依托工程的现场施工要求。同时考虑到后期运营安全,在优化设计地段部位在施工过程中布设了运营监测点,并按照衬砌的极限承载力提出应力预警值。本文的优化设计不仅弥补了原先设计中存在的风险,并且对预设计中偏安全的部分进行优化,降低了隧道的建造成本。本文所采用的方法为先通过实际围岩情况提出支护参数,并通过数值模拟以及现场监控量测反馈进行验算。该种方法对往后处于不良地质段的隧道的设计具有参考的意义。
【学位单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U455
【部分图文】：

图 2.1 各季节降水量所占比重地段主要穿越的河流为盐井河，盐井河主要为季节性河流最终汇入盐井口水库，河流全长约 15km，最大流量可，由于该段的独特地形，因此隧道在该段开挖前应做好抗于两沟相交处的后面，其主沟的发育方向为由东向西进行到 2.5L/s；另一条冲沟的发育方向为由东向北西进行，降 0.5L/s。因此隧道在进行动工前必须先对两条冲沟进行改质条件造过明月峡背斜，其构造行迹为呈北～北东向，隧道选址处

3.3 石膏岩段支护衬砌参数优化方案3.3.1 概述该隧道实际建设时，隧道出口在左洞施工至 ZK14+995.7，右洞施工至 K14+994 处时，掌子面提前揭露出石膏地层，掌子面石膏情况和现场岩块照片如图 3.1。而根据隧道勘察设计设计成果及文件，隧道左洞 ZK14+922~ZK14+996.7，右洞 K14+935~K14+995 主要所穿过的岩层为三叠系下统嘉陵江组三段灰岩，原设计衬砌类型为 S4b。根据详勘报告，石膏层属于弱透水层，在隧道内不会受到干湿与冻融的交替影响，因此将该隧道内环境确定对Ⅱ类，石膏中的硫酸根离子不仅对混凝土具有强腐蚀性（将其的腐蚀得你判定为 D 级），而且其对采用钢筋混凝土的支护结构中的钢筋也具有轻微腐蚀效果，同理对钢结构的腐蚀性与钢筋基本一致。熟石膏在水化重结晶的过程中会导致其体积增加，具有强膨胀性，该现象不仅会对施工的过程中产生影响而且还会对运营期间支护结构产生危害。

采取 Φ42 双排小导管进行超前支护；⑤初期支护加强初期支护，使用 20b 密排工字钢进行封闭支护，长 4m 的Φ25 锚杆采取中空注浆并对其进行全周布置。施工期间可以由现场监控量测反应的实际情况，如果初支的变形量增大并且导致初支开裂，针对该种情况的建议为布置纵向变形缝长度为 10cm~15cm，间隔为 2m~3m。⑥衬砌结构1)加深仰拱，让隧道的内轮廓线更趋近与圆，从而加强衬砌承载能力2)二衬加强，采取 70cm 厚钢筋混凝土结构。采取先柔后刚、先让后顶、分层支护的方法，使用现场监控量测反馈的数据与现场试验来判断施加二衬的最佳时机，基本在初支的变形趋近与稳定，并且在变化速率在每天 0.2 毫米左右为施加二衬的最佳时机。⑦底部加强起拱线以下布置 5.0m 长 Φ42 径向小导管注浆加固围岩，同时在仰拱底部设置 30cn 厚碎石垫层。
【参考文献】

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本文编号：2874109