某引水隧洞大变形缓冲层支护方案设计参数优化研究

作     者：舒晓云 田洪铭 陈卫忠 朱珍德 杨帆 田云 张朝轩 张韬 

作者机构：中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室 河海大学土木与交通学院 中水北方勘测设计研究有限责任公司 绍兴文理学院岩石力学与地质灾害浙江省重点实验室 

出 版 物：《岩土力学》 (Rock and Soil Mechanics)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

基　　金：国家自然科学基金重大项目(No.42293355) 国家自然科学基金(No.52179113,No.52279119,No.U2340229,No.42207199) 博士后科研项目(No.ZJ2022155,No.GZC20240167) 湖州市重点实验室基金(No.HGB23E002) 

主　　题：时效变形 隧道支护 缓冲层 数值模拟 参数优化 

摘      要：高地应力软岩隧道围岩变形具有显著的时效特性，容易引起运营期隧道衬砌结构开裂和破坏。以新疆某引水隧洞泥岩大变形段为背景，提出在初期支护与二次衬砌之间设置高压缩缓冲层的支护方案，以保证隧洞在运营期安全。首先针对现有缓冲层支护方案，开展了支护结构受力的现场监测与分析，然后采用数值仿真方法对缓冲层支护方案进行了参数优化，最后将优化后方案与原方案的支护效果进行了对比分析。结果表明：（1）现有支护方案的监测结果表明，当现场安装密度为90～100 kg/m3的5 cm聚乙烯缓冲层后，缓冲层易进入压密阶段，围岩形变压力达到0.36 MPa，衬砌受力仍具有非均匀性，缓冲层材料和厚度还有可优化的空间。（2）缓冲层支护参数优化表明，缓冲层平台应力偏大会导致其难以被压缩而降低吸能效果，偏小将难以有效限制围岩变形，两者都会造成缓冲层对围岩形变能的吸收不足，衬砌的安全性较低。随着缓冲层厚度的增加，衬砌破坏程度逐渐减小，但减小幅度逐渐减弱。对于本工程而言，当平台应力为0.5 MPa，压缩率≥0.6，厚度为10 cm时，缓冲层支护效果最佳。（3）对比分析表明，相比于原缓冲层支护方案，优化后的缓冲层支护将使得衬砌最大主应力减小20%～30%，缓解衬砌的应力集中程度，可保障隧道支护结构的长期稳定。