大断面黄土隧道初支作用机理及变形控制技术研究（论文）.pdf

Construction &Design For Project 工程建设与设计 1 引言 作 为占据我国国土面积 6.3%的黄土地质在我国地域上实际 分布面积广泛，随着我国改革开放后社会经济迅猛发展，道路工程 建设的规模不断扩大，特别是黄土隧道的建设速度也逐年提高 。 纵观我国黄土地区道路建设，随着我国经济的发展，黄土隧 道施工技术水平也得到不断提高，从小断面隧道到大断面 、超大 断面隧道的施工，从单工序到多工序的隧道施工，在整个黄土隧 道施工过程中已经逐步形成一套完整的设计理论及实践经验。 2 大断面黄土隧道初支作用机理 黄 土隧道的建设随着隧道的开挖势必会对隧道周围的岩土 造成作用力的改变，岩土受力重新分布，被开挖的岩土残余应力 释放，受这一系列作用力的改变，在一定范围内，若岩土得不到及 时有效的支护作用，那么岩土势必会产生变形，导致最终松动产 生塌方等事故，使隧道失稳。 2 . 1 大断面黄土隧道初支结构类型 目前我国黄土隧道施工根据支护作用原理 ，其初支结构类型 主要有刚性支护、 柔性支护、复合支护3种，在大断面黄土隧道施 工中，主要采用柔性支护和复合支护 2种，柔性支护中广泛应用 的有锚喷支护，即锚杆与喷射混凝土支护 、锚喷与其他支护共同 支护；复合支护是一种新兴支护结构，在初期支护结构中采用柔 性支护，如锚喷支护，后期二次则选择刚性支护，如现浇钢筋混凝 土支护。 2 . 2 大断面黄土隧道初支原理 初支结构的作用主要是保证周围岩石的稳定 ，承受各种荷载， 保持隧道断面的净空高度，保证后续施工的安全 。其原理主要为： (1) 大断面黄土隧道初支原理主要建立在周围岩土和隧道外 加支护结构共同作用的基础上，充分发挥周围岩土自身承受应力 能力，并降低周围岩土压力，改善隧道支护结构受力能力 。根据 岩石力学理论，当周围的岩石洞壁位移达到允许最大变形值时， 其压力达到最小值；周围岩石处于塑性状态时，岩石自身承受应 力能力最大，因此，大断面黄土隧道初支原理要求在施工过程中 采用快速支护，超前支护，在挖据过程中边作业边根据作业面进 行支护；此外，要充分发挥岩石自承能力，分层喷射 、调节作业时 间柔性支护 。(2) 初支原理的另外一个内容在于要充分发挥支护 材料的自承能力，分次支护 、柔性支护 、锚杆支护 、封闭支护等方 法，通过与周围岩石紧密粘结，能提高支护材料的自承能力，在发 挥支护结构混凝土承载能力方面要优于传统支护方法 。(3) 初支 原理要求根据周围岩土的地质特性、 力学性，通过现场监控、建立 力学模型、 计算并指导在大断面黄土隧道施工过程中因地适宜地 选择支护方式及施工方法。 2 . 3 大断面黄土隧道初支作用力学特性 初支作用力学研究数值计算模式如下。 数值计算根据不同的初期支护结构施工时间 ，通过改变周围 岩石荷载力释放的系数计算。 （1）初支结构施工时间，荷载释放系 数为 0时，即隧道动工后就立即进行支护结构施工，荷载释放系 数为 1时，即待周围岩石在动工以后变形稳定，调整好二次应力 变化后再进行支护结构施工，当到达该数值 1时，说明大断面黄 土隧道的初支结构施工太迟，初支结构不能达到设计效果，那么 计算将不再收敛，故荷载释放系数 K选取访问为 0＜K ＜1，论文选 取 0.025、 0.5、0.75、 0.9 4 个数值 。（ 2） 在初期支护结构稳定研究 中，支护结构刚度也是需重要考量的数值，其主要体现在初支结 构的弹性模量上。根据弹性模量分级表可知，喷射混凝土的弹性 模量为 30GPa。 隧道埋深 60m，左右侧距各 50m，上下45m，具体参数如表 1 所示。 表 1 大断面黄土隧道建设工程模型设计值 3 大断面黄土隧道的变形 分 析已建大断面黄土隧道的施工，有深埋和浅埋之分，拱顶 到拱底的最后沉降差异范围在 -41～-9mm 的为深埋大断面类型， -18～-7mm 的范围则是浅埋大断面类型。 研究大断面黄土隧道的 变形规律、 变形特性，以及黄土隧道地表裂缝发展规律，有利于之 后的大断面黄土隧道有针对性进行施工，作出相应的准确对策措 施，保证隧道结构稳定，提高作业效益和经济效益 。 3 . 1 大断面黄土隧道变形特性 大断面黄土隧道初支作用机理及变形控制技术研究 S tudy on Primary Support Mechanism and Deformation Control Technology of the Loess Tunnel with Large Sections 蔡志强 （ 湖南恒基项目管理有限公司，长沙 410004） CAI Zhi-qiang ( Hunan Hengji Project Management Co.Ltd., Changsha410004, China ) 【摘 要 】通过对已建设完成的黄土隧道工程的数据统计 ，利用计算机技术进行数值模拟计算，对大断面黄土隧道断面的力学特性和初支机理进行 研究分析，同时根据初支机理，依托郑西线黄土隧道工程对大断面黄土隧道的沉降变形特性 、影响因素进行系统深入的研究，并通过实践证明得 到沉降变形的关键控制技术。 【 Abstract 】 T hrough data statistics of the completed construction in loess tunnel engineering, we use computer tech