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岩土力学 2024年第8期45卷 2462-2473页

作者：王秋懿张海涛张金江徐华王清华许劲松云南省交通投资建设集团有限公司云南昆明650100 成都理工大学环境与土木工程学院四川成都610059 四川省复杂地质TBM智能掘进与灾害防控工程技术研究中心四川成都610059 西南交通大学土木工程学院四川成都610031 同济大学土木工程学院上海200092

在诸如第三系半成岩地层等富水软弱均质地层的隧道建设中,常采用水平高压旋喷桩进行洞内超前预加固,但水平旋喷桩往往因自身抗拉强度低在承受较大荷载时容易发生断裂破坏。依托云南临沧至清水河高速公路王家寨隧道工程,提出了一种在桩... 详细信息

在诸如第三系半成岩地层等富水软弱均质地层的隧道建设中,常采用水平高压旋喷桩进行洞内超前预加固,但水平旋喷桩往往因自身抗拉强度低在承受较大荷载时容易发生断裂破坏。依托云南临沧至清水河高速公路王家寨隧道工程,提出了一种在桩体内插入小直径钢管的水平高压旋喷复合结构。通过力学理论分析、数值模拟与现场监测,对比分析了水平高压旋喷桩素桩与复合结构的力学机制与对围岩加固作用,并对钢管布置形式及直径进行优化设计。研究表明:在300 kPa水压下,复合结构相比素桩的挠度值降低了34.8%,最大拉应力降低了37.5%,受力模式明显改善,承受的极限水压力荷载大幅提升至700 kPa,对围岩拱顶沉降、应力也有一定削减作用;增加拱顶钢管布置密度可有效降低桩体拉应力,而减少钢管直径则会导致钢管拉应力增大;建议实际工程中拱顶间隔1根桩体布置108 mm钢管,拱肩间隔2~3根布置89 mm钢管,边墙可不设钢管。

关键词：第三系半成岩水平高压旋喷桩钢管复合结构受力机制极限水压荷载

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第三系富水半成岩砂岩特性及隧道水平高压旋喷桩加固研究

第三系富水半成岩砂岩特性及隧道水平高压旋喷桩加固研究

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作者：王清华西南交通大学

学位级别：硕士

在建设交通强国战略的大背景下,我国高速公路建设已进入快速发展阶段,建设重心逐步转移至西部地区。近些年来,我国公路隧道建设过程中复杂地质层出不穷,第三系富水半成岩砂岩地层是隧道施工中遇到的极为复杂的地层之一,该地层具有成岩... 详细信息

在建设交通强国战略的大背景下,我国高速公路建设已进入快速发展阶段,建设重心逐步转移至西部地区。近些年来,我国公路隧道建设过程中复杂地质层出不穷,第三系富水半成岩砂岩地层是隧道施工中遇到的极为复杂的地层之一,该地层具有成岩强度低、胶结能力差、遇水软化等工程特点,已成为了隧道施工的一大难题。论文以临清高速公路王家寨隧道第三系富水半成岩砂岩段为研究对象,论证了水平高压旋喷桩在第三系富水半成岩砂岩隧道的适用性,通过数值模拟和现场监测研究得出水平高压旋喷桩在第三系富水半成岩砂岩隧道中的使用条件;通过不同含水率下砂性土抗剪强度试验和隧道施工特点,总结了第三系半成岩砂岩隧道的主要工程特性;结合理论分析、数值模拟和现场监测,阐明了水平高压旋喷桩加固机理及不同设计参数对水平高压旋喷桩加固效果的影响,给出了适用于第三系富水半成岩砂岩隧道水平高压旋喷桩设计参数建议,并提出了水平高压旋喷桩钢管复合结构优化设计方法。主要研究内容及成果如下:(1)针对王家寨隧道第三系富水半成岩砂岩段的工程地质条件,总结了此类地质的主要技术难题与工程地质灾害类别,通过对比隧道不同超前加固措施的优缺点及适用性,建议采用水平高压旋喷桩对第三系富水半成岩砂岩隧道进行超前加固。(2)通过现场取样、室内试验,分析了王家寨隧道第三系富水半成岩砂岩扰动砂性土的物理力学性质,总结出第三系半成岩砂岩扰动砂性土的主要工程特性;通过不同含水率下的直剪试验研究,得出了扰动砂性土抗剪强度随含水率变化规律;结果表明:由于细砂粒占比8.167%(0.075～0.25mm),黏粒含量占2.033%(18%)三种形态。砂性土黏聚力随含水率变化而发生显著变化,其中砂岩含水率大于18%时(接近饱和),砂性土黏聚力陡然降低。(3)阐明了隧道洞内水平高压旋喷桩加固机理,主要包括浆液作用和整体加固机理;采用数值模拟研究了王家寨隧道第三系半成岩砂岩段水平高压旋喷桩加固前后围岩应力及变形情况,结果表明:水平高压旋喷桩超前加固可有效限制围岩应力和隧道变形沉降,确定了桩径60cm、桩长10m、咬合厚度25cm、搭接长度3m条件下水平高压旋喷桩所能承受的极限水压(约30m水压)。(4)通过建立水平高压旋喷桩不同桩径、桩长、咬合厚度、搭接长度多种工况的计算模型,分析了不同设计参数下围岩应力及变形、桩体应力变化情况。结果表明,在旋喷桩能够保证承受围岩和水压力条件下,旋喷桩设计参数的改变对围岩应力及变形影响较小,对加固效果的影响主要体现在桩体应力发生明显变化;当旋喷桩桩径、咬合厚度超过一定值后,对加固效果影响有限;桩长过长会造成桩体极限应力显著增大,搭接长度影响较小,应根据实际情况选择合适的设计值。(5)针对水平高压旋喷桩抗弯剪能力差的特点,提出在旋喷桩未凝结前插入钢管的方式形成钢管复合结构,提高结构承载能力;采用数值模拟论证了旋喷桩钢管复合结构可改善桩体受力,充分发挥了桩体与钢材的力学优点。通过研究旋喷拱棚的应力的分布规律,将旋喷拱棚结构受力分为拱顶(0°～30°)、拱肩(30°～45°)、边墙(45°～90°)三个主要区域,提出了不同区域钢管合理的布置方式,在优化钢管数量的同时又保证复合结构安全性不受影响,边墙处可不设管或少布管,拱顶拱肩宜采用间隔1根布管,水压增大时可适当加密。(6)通过对水平高压旋喷桩加固段的现场监测,分析了水平高压旋喷桩加固后隧道围岩变形、支护受力的变化规律。通过对比现场监测结果与数值模拟结果,实测数值相比数值模拟数值略大,但两者变化趋势基本相同,表明了数值模拟的可靠性。水平高压旋喷桩能够起到良好的加固效果,在旋喷拱棚梁拱效应(横向拱、纵向梁)的作用影响下,隧道围岩压力、钢拱架受力和沉降变形得到有效控制。水平高压旋喷桩在第三系富水半成岩砂岩地层具有良好的适用性,可起到封堵地下水和承受上覆荷载作用。(7)研究提出了水平高压旋喷桩在第三系富水半成岩砂岩隧道中的使用条件,主要包括:(1)建议水平高压旋喷桩(素桩)在第三系富水半成岩砂岩应用中,其地下水压不宜超过30m(桩径60cm、桩长10m、咬合厚度25cm、搭接长度3m);(2)当水压超过30m时,建议采用水平高压旋喷桩钢管复合结构进行超前加固,水压达30～40m时钢管可采用89mm钢管,水压大于40m时,宜采用108mm钢管,建议水压不超过70m;(3)水平高压旋喷桩加固前,应辅以洞内排水或地表抽水措施,保持围岩含水率在18%以下施作水平高压旋喷桩;(4)水平高压旋喷桩超前加固需辅以径向注浆及锁脚锚杆加固隧道边墙,保证边墙处围岩稳定,支承旋喷拱棚。

关键词：第三系半成岩砂岩隧道水平高压旋喷桩加固机理加固设计钢管复合结构数值模拟现场监测

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