深埋老黄土隧道大变形机理及对策研究

作     者：郭尚坤 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王志杰;钟选良

授予年度：2017年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：老黄土隧道 滑移体 塑性区 数值模拟 加强初支 

摘      要：目前新建黄土隧道的方法都是采用工程类比法和经验法,通过施工实践进行验证,理论研究总落后于工程实践。面对以后越来越多的黄土隧道的新建,黄土隧道坍塌、大变形等灾害对人民生命财产安全构成重大威胁。黄土的湿陷性、垂直节理、大孔隙等特点,一定程度上决定了黄土隧道围岩变形的程度。而且黄土隧道在修建过程中,围岩遇水会弱化比较明显。黄土隧道发生大变形的特点是变形量大,持续时间长。因此,对黄土隧道大变形的科研研究刻不容缓。本文通过调查黄土隧道大变形机理,进而分析给出对应的解决对策,并为以后新建黄土隧道提供有用的参考。本文结合理论分析、现场试验调研以及数值模拟软件FLAC3D综合分析深埋老黄土隧道发生大变形的机理,并据此给出应对隧道大变形的处治对策。经研究,本文得出以下几点成果:1.黄土普遍表现为疏松多空,粉状,垂直节理结构,遇水弱化明显。其中,新黄土的垂直节理较为发育,遇水呈湿陷性,易崩塌,围岩变形释放速度快,容易突变,属脆性破坏;老黄土一般不具有湿陷性,含水量对隧道变形影响比较大,遇水围岩参数变差,导致隧道支护强度不足而发生比较大的变形,容易造成隧道坍塌。2.黄土隧道的变形量较大,变形持续时间长。深埋老黄土隧道围岩压力较大,拱腰处围岩压力最大,破坏围岩的荷载作用在初期支护结构上,而初期支护结构拱腰是薄弱位置,荷载超过其结构承载力,拱腰处初期支护发生压屈破坏。3.现场的钻孔波速测试得知隧道围岩在拱腰处存在一定范围的潜在滑移体,通过隧道拱腰处附近钻芯取样,发现土芯不同深度处有斜剪断的裂缝,这一现象证明了隧道围岩在拱腰处存在一定范围的潜在滑移体。4.数值模拟计算分析了深埋老黄土隧道的潜在滑移面以及塑性区,得出了隧道拱腰处和仰拱底部剪切破坏,而塑性区大范围分布在隧道拱腰和仰拱底部,从理论计算上说明了隧道拱腰处存在潜在的滑移体。5.采用更强钢架和更厚喷混凝土厚度的对策来加强初支,经过数值分析计算,初期支护结构的主应力降低了16.5%,拱顶下沉变形量降低1.4%,左右边墙收敛变形量降低6.4%,对隧道大变形可以起到较好的控制作用。6.隧道大变形施工段DK390+708528采用套拱加固且在围岩土体变形控制住后再进行拆换的方法是可行的;未施工段DK390+200520通过增厚初期支护的厚度和增大格栅型号及主筋,并进行相应的注浆处理,结合施工监控量测,隧道的变形得到很好的控制。