跨断层超大断面隧道结构施工稳定性研究

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伴随着国民经济的发展,我国公路隧道建设也进入了一个迅猛发展的阶段。为了满足交通运输的需要,大断面、超大断面隧道的设计、施工逐步成为隧道发展建设的趋势与研究主体。隧道作为线性地下结构物,在无法避绕的情况下,经常会穿越断层等不良地质。断层破碎带具有强度低、易变形、透水性大等特点,可能导致塌方、透水等施工事故,从而对隧道结构的施工及长期稳定性造成不利影响。因此分析断层破碎带对于超大断面隧道稳定性的影响具有十分重要的意义。  本文依托某穿越断层的超大断面隧道工程案例,首先对该工程的工法参数进行优化,得到最优工法,将该工法的现场监测数据与数值计算结果进行对比分析,验证建模方法及模型参数的正确性;其次,提出了超大断面隧道稳定性研究的位移评价指标和应力指标,引入屈服接近度的概念,把位移指标、应力指标、屈服接近度这三个概念运用到穿越断层破碎带的研究中,通过位移和应力这两个指标确定出断层破碎带对于超大断面隧道的影响区,利用屈服接近度直观地看出断层对隧道结构各个位置的破坏程度;第三,运用位移和应力评价指标对断层特征进行敏感性分析,分别从断层倾角、断层厚度及断层前后围岩等级三个方面得出断层特征对断层影响区的影响;最后,对超大断面隧道进入断层影响区进行工法变换,并通过数值计算进行了模拟。主要研究内容如下:  (1)对某超大断面隧道穿越断层破碎带的工程进行施工参数优化,隧道采用双侧壁导坑法开挖,分别从导洞开挖顺序、开挖错距、开挖进尺和初衬支护时机四个方面进行优化,得出最优工况。将该工况运用到实际工程中并对隧道结构的拱顶沉降进行监测,将数值模拟结果与现场的监测数据进行对比,发现两者较吻合,证明该建模方法及模型参数的正确性,为下文中数值模拟提供了工程依据。  (2)提出了超大断面隧道稳定性研究的两种评价指标,分别为位移评价指标(拱顶位移评价指标SR1和周边收敛评价指标SR2)和应力指标(围岩自承能力系数kr)。将这两个指标用到超大断面隧道穿越断层破碎带的研究中,通过这两个指标分别从位移和应力两个方面确定出断层对隧道的影响区。引入屈服接近度的概念,屈服接近度能够直观地看出断层对隧道结构及周边围岩的影响程度,将其用到超大断面隧道穿越断层破碎带的研究中。  (3)通过上文提出的位移指标和应力指标来对断层进行敏感性分析,分别从断层的倾角、厚度、断层前后的围岩等级三个方面进行分析,得出断层特征对断层影响区的影响;  (4)分析断层破碎带影响范围内工法变换的必要性和可行性,对超大断面隧道进入断层影响区进行工法变换,并通过数值模拟进行验证。
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