极软弱围岩隧道支护结构开裂机理及防治技术研究

作     者：崔建航 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张晓平

授予年度：2023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：隧道工程 极软弱围岩 开裂机理 裂缝安全状态评定 开裂防治 

摘      要：随着公路建设向西部和山区延伸,需要修建大量山岭隧道。当隧道穿越软岩地层或断层破碎带时,易引发围岩大变形和支护结构失稳、开裂等一系列问题,给高效施工和安全运营带来巨大的隐患。本文针对极软弱围岩隧道支护结构开裂问题,依托江西省萍莲高速公路4条隧道,通过采用实地调查、监控量测、理论分析、数值模拟、室内试验和现场试验等方法,对隧道支护结构开裂特征、开裂机理、裂缝安全状态等级评定、开裂防治技术等展开了系统研究。主要研究工作和成果如下:(1)基于裂缝成因、位置、走向、状态、受力及裂口特征等因素,对隧道支护结构裂缝进行了分类,根据不同的类别介绍了隧道开裂后裂缝检测的内容和方法。通过现场调查和监控量测研究区隧道开裂情况,统计分析了裂缝的长度、宽度、深度、分布范围、走向、位置等特征参数,结果显示隧道支护结构裂缝主要发育在V级围岩洞段和靠近洞口洞段,以分布于边墙处的环向开裂为主。(2)从围岩特性、地质构造、支护设计、施工质量和温度变化等方面对隧道支护结构开裂诱因进行了综合分析,结果表明围岩松散软弱、隧址区塌腔空洞频发、衬砌施工缺陷较多和地形偏压是造成隧道结构开裂的主要原因,同时环境温度变化对靠近洞口洞段裂缝的发育也产生了一定的影响。根据以上分析,通过ABAQUS数值仿真模拟,研究了不同类型的衬砌背后空洞、衬砌缺陷和地形偏压情况下隧道结构的变形及损伤规律。(3)采用层次分析法和模糊数学综合评价,选取裂缝的几何尺寸、裂缝的发展及分布状况、裂缝处地层情况作为一级指标,裂缝长度、裂缝宽度、裂缝深度、裂缝发展性、裂缝部位、裂缝走向和裂缝处支护类型作为基础指标,建立了极软弱围岩隧道支护结构裂缝安全状态分级模型。运用该模型对研究区隧道裂缝进行了安全状态等级评定,所得结果中轻微裂损6条,中等裂损17条,较重裂损2条,严重裂损6条。(4)系统地提出了极软弱围岩隧道支护结构开裂预防技术。基于让压支护原理,设计不同类型和内嵌结构间距的可变形钢拱架连接构件进行试验,结果显示7 cm间距内嵌三角钢版型构件的让压性能和稳定性最好。将其应用于莲花隧道支护结构中,拱架应力监测结果表明让压构件吸收了部分围岩变形,减小了拱架应力和初期支护侵限,有效预防了支护结构开裂。(5)对隧道裂缝修复和加固治理技术开展了研究和分类。根据安全状态评定结果,对于二衬裂缝,提出了不同裂损等级的修复和加固方案,治理完成后对典型裂缝进行监测,以评价治理效果。对于仰拱裂缝,采取注浆加固地层和埋管灌浆修补相结合的方式进行治理,通过开展现场注浆试验,揭示了仰拱受力的变化规律,优化了孔距、孔深和浆液水灰比,并设计动静载试验检验了仰拱开裂治理效果。