高地应力(近)水平岩层隧道开挖稳定性及初支结构受力特性分析

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随着我国交通网络的不断完善,修建山岭隧道将不得不面对各种复杂艰险的地质条件,高地应力层状构造的岩体便是其中一种。在此类岩体中修建隧道,易出现开挖失稳塌方、支护结构失效和偏压等问题,给隧道施工人员造成极大的安全隐患。本文结合具体工程实例,采用资料调研、理论分析、现场监测、室内试验、数值模拟等方法对高地应力(近)水平岩层隧道的开挖稳定性及初支结构的受力特征进行研究,研究的主要内容和结论如下:(1)首先采用现场取芯和地应力原位测试的手段,获得现场岩性和地应力环境,再结合室内三轴压缩试验得到不同围压下岩样的应力应变曲线、基本力学参数和破坏形态,并借助声发射系统对岩样的破裂过程进行分析,最后采用3DEC建立三维单轴离散元数值模型进行验证,其结果与室内试验吻合度较高。(2)结合现场出现的失稳塌方问题,通过3DEC建立高地应力水平岩层隧道开挖模型,对掌子面开挖后围岩失稳演变过程进行分析,得到拱顶塌腔范围在宽5m、高4m左右,掌子面破裂深度在3~4m,失稳形态与现场基本一致,失稳机理为岩层张拉弯剪破坏和剪切滑移破坏形成宏观滑移面在自重等因素下发生失稳现象;进一步分析围岩失稳因素,发现较小的开挖进尺和强度较大的超前支护措施对拱顶沉降影响较大;最后对总体支护方案进行优化,优化后对拱顶层状围岩的控制效果明显。(3)对现场缓倾岩层条件下初支结构出现的偏压受力问题进行分析,分别探讨了岩层倾角、层间厚度、侧压力系数和锚杆支护,这四个因素对初支结构变形和受力的影响,发现在反倾侧层间弯曲变形大于顺倾侧层间滑动变形;倾角越大,初支结构偏压受力越严重;层厚越大,初支结构受力逐渐减小;合理的锚杆支护方案可减缓初支结构的偏压现象。
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