現(xiàn)代鐵路軌道

1、軟弱圍巖大斷面隧道相向施工圍巖穩(wěn)定性分析與掌子面加固研究 專業(yè)：道路與鐵道工程 導師： 趙秀紹 報告人：莊錦彬 主要內容主要內容Page 2第一部分課題背景與意義第二部分貫通段圍巖穩(wěn)定性分析貫通段圍巖穩(wěn)定性分析第一部分研究意義與現(xiàn)狀研究意義與現(xiàn)狀第三部分現(xiàn)有無損檢測技術分析第三部分應對措施及效果分析應對措施及效果分析第一部分第四部分結論結論Page 3第一部分第一部分 研究意義與現(xiàn)狀研究意義與現(xiàn)狀 軟弱圍巖大斷面隧道相向施工臨近貫通時，隨著掌軟弱圍巖大斷面隧道相向施工臨近貫通時，隨著掌子面前方土體長度的減小，兩端隧道開挖產(chǎn)生的擾子面前方土體長度的減小，兩端隧道開挖產(chǎn)生的擾動區(qū)將會相互疊加，圍巖

2、應力及變形較單向施工時動區(qū)將會相互疊加，圍巖應力及變形較單向施工時復雜，可能出現(xiàn)圍巖大變形甚至失穩(wěn)，危及施工安復雜，可能出現(xiàn)圍巖大變形甚至失穩(wěn)，危及施工安全。全。通過分析相向施工隧道圍巖穩(wěn)定性和變形特征，明通過分析相向施工隧道圍巖穩(wěn)定性和變形特征，明確掌子面相互影響距離和極限距離對于保證隧道順確掌子面相互影響距離和極限距離對于保證隧道順利貫通具有重大指導意義。利貫通具有重大指導意義。1.1 研究意義研究意義 ：Page 41.2 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀：呂璽琳等基于極限平衡法和極限分析上限法研究了盾構隧呂璽琳等基于極限平衡法和極限分析上限法研究了盾構隧道維持開挖面穩(wěn)定的最小極限支護壓力道維持開挖面穩(wěn)

3、定的最小極限支護壓力。LI對泥水盾構掌子面各種失穩(wěn)形式的影響因素、泥水壓力對泥水盾構掌子面各種失穩(wěn)形式的影響因素、泥水壓力范圍、失穩(wěn)機理進行了論述。范圍、失穩(wěn)機理進行了論述。楊峰等采用極限分析法對淺埋隧道工作面破壞模式與支護楊峰等采用極限分析法對淺埋隧道工作面破壞模式與支護反力進行研究。反力進行研究。楊峰等采用極限分析法對淺埋隧道工作面破壞模式與支護楊峰等采用極限分析法對淺埋隧道工作面破壞模式與支護反力進行研究。反力進行研究?？涤陆Y合具體工程，在分析圍巖穩(wěn)定性關鍵影響因素基礎康勇結合具體工程，在分析圍巖穩(wěn)定性關鍵影響因素基礎上，結合現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬對大跨度穿煤隧道圍巖結構上，結合現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)

4、值模擬對大跨度穿煤隧道圍巖結構穩(wěn)定性進行了分析。穩(wěn)定性進行了分析。Page 5Funatsu采用二維離散元研究地層預加固時考慮了相向采用二維離散元研究地層預加固時考慮了相向施工的工況。施工的工況。 (1)（5）只針對單向施工條件）只針對單向施工條件下隧道圍巖與掌子面的穩(wěn)定性下隧道圍巖與掌子面的穩(wěn)定性 （6）未考慮三維效應的相向施）未考慮三維效應的相向施工隧道圍巖穩(wěn)定性工隧道圍巖穩(wěn)定性 相關規(guī)范未闡述臨近貫通相關規(guī)范未闡述臨近貫通2個掌個掌子面相互影響的力學機理，且未明子面相互影響的力學機理，且未明確其影響距離確其影響距離小結小結第二部分第二部分 貫通段圍巖穩(wěn)定性分析貫通段圍巖穩(wěn)定性分析2.1

5、工程概況：獅子壟隧道為分離式雙向獅子壟隧道為分離式雙向6車道，主要穿越砂質版巖、車道，主要穿越砂質版巖、變質砂巖、炭質泥巖；開挖跨度變質砂巖、炭質泥巖；開挖跨度18.03m，高，高12.31；隧；隧道最大埋深道最大埋深124.5m，擬貫通段埋深，擬貫通段埋深84m(見圖見圖1、2)。Page 7隧道采用短進尺隧道采用短進尺3臺階預留核心土法開挖，各臺階尺寸臺階預留核心土法開挖，各臺階尺寸見圖見圖3.隧道從進、出口兩端相向施工，貫通位置約位于隧道從進、出口兩端相向施工，貫通位置約位于隧道中部，臨近貫通隧道處左側以黑色炭質泥巖為主，隧道中部，臨近貫通隧道處左側以黑色炭質泥巖為主，右側強風化的變質砂

6、巖為主，見圖右側強風化的變質砂巖為主，見圖4.Page 82.2 模型建立： 利用利用FLAC3D模擬貫通模擬貫通段，建立圖段，建立圖5模型，底部模型，底部為固定邊界，四側面為法為固定邊界，四側面為法向約束邊界；初始時掌子向約束邊界；初始時掌子面相距面相距58m。 圍巖采用實體單元模圍巖采用實體單元模擬，殼單元模擬初支結構，擬，殼單元模擬初支結構，相關參數(shù)見表相關參數(shù)見表1.Page 92.3 計算結果分析計算結果分析：2.3.1 圍巖塑性區(qū)圍巖塑性區(qū)： 兩掌子面距離較遠，塑性兩掌子面距離較遠，塑性 區(qū)擴展至前方區(qū)擴展至前方5m L=18m，塑性區(qū)擴展至前，塑性區(qū)擴展至前方方6m L =16m

7、，塑性區(qū)擴展至，塑性區(qū)擴展至前方前方7m L =14m，塑性區(qū)貫通，塑性區(qū)貫通 說明：說明：L為兩個掌子面距離為兩個掌子面距離掌子面距離減小，塑性區(qū)掌子面距離減小，塑性區(qū)沿拱腰斜向外擴展，然后沿拱腰斜向外擴展，然后沿著邊墻墻角向斜下方延沿著邊墻墻角向斜下方延伸，呈伸，呈X形分布形分布小結小結 L18m，塑性區(qū)不增大，塑性區(qū)不增大 L18m，塑性區(qū)明顯增，塑性區(qū)明顯增大大L=14m，塑性區(qū)貫通，塑性區(qū)貫通，相向施工相互影響顯著相向施工相互影響顯著 Page 112.3.2 圍巖位移分析圍巖位移分析：拱頂沉降拱頂沉降： 掌子面距監(jiān)測斷面掌子面距監(jiān)測斷面8m,該該斷面拱頂沉降量增長顯著斷面拱頂沉降量

8、增長顯著掌子面距監(jiān)測斷面掌子面距監(jiān)測斷面5m,該該斷面拱頂沉降量陡增斷面拱頂沉降量陡增單向開挖，監(jiān)測斷面拱頂單向開挖，監(jiān)測斷面拱頂沉降量增長平緩沉降量增長平緩 說明：監(jiān)測斷面為說明：監(jiān)測斷面為2個掌子個掌子面中間里程斷面面中間里程斷面 Page 12掌子面擠出變形掌子面擠出變形：變形規(guī)律：兩個掌子面臨近，變形規(guī)律：兩個掌子面臨近，擠出變形增大，距離越近，變擠出變形增大，距離越近，變形增長越明顯；形增長越明顯；L=12m，擠出，擠出變形最大值劇增至變形最大值劇增至3.2cm雙向施工，掌子面間圍巖變形雙向施工，掌子面間圍巖變形受兩開挖面影響，其變形大于受兩開挖面影響，其變形大于2個掌子面各自影響效

9、果的線個掌子面各自影響效果的線性疊加性疊加Page 132.3.3 圍巖應力分析：圍巖應力分析： L較大時，兩掌子面對彼此無影較大時，兩掌子面對彼此無影響，掌子面前方響，掌子面前方01.5m范圍內拱范圍內拱頂豎向應力急劇減??；頂豎向應力急劇減小；1.512范圍范圍豎向應力比原始應力大，最大增值豎向應力比原始應力大，最大增值約約10%，位于距掌子面，位于距掌子面3m處；處；12m外保持初始應力不變外保持初始應力不變 L=36m，最大應力較初始應力，最大應力較初始應力增長幅度為增長幅度為12% L=24m，應力增長幅度，應力增長幅度15% L=18m，應力增長幅度，應力增長幅度18% L=12m，

10、應力增長幅度，應力增長幅度23%，此，此時若時若L繼續(xù)減小，則監(jiān)測斷面圍巖繼續(xù)減小，則監(jiān)測斷面圍巖進入塑性狀態(tài)進入塑性狀態(tài) 拱頂豎向應力拱頂豎向應力：Page 14安全系數(shù)安全系數(shù)：2種工況下，中間斷面拱頂安全種工況下，中間斷面拱頂安全系數(shù)隨掌子面的臨近均呈減小系數(shù)隨掌子面的臨近均呈減小趨勢。但相向施工時，安全系趨勢。但相向施工時，安全系數(shù)減小比單向施快數(shù)減小比單向施快.L=12m，測，測點已經(jīng)進入塑性狀態(tài)，拱頂處點已經(jīng)進入塑性狀態(tài)，拱頂處豎向應力將急劇減小，而單向豎向應力將急劇減小，而單向施工時該點仍有一定強度儲備施工時該點仍有一定強度儲備Page 15小結小結對相向施工隧道圍巖塑性區(qū)發(fā)展、

11、變形及對相向施工隧道圍巖塑性區(qū)發(fā)展、變形及應力重分布規(guī)律綜合分析可知：應力重分布規(guī)律綜合分析可知：兩個掌子面間圍巖臨近破壞的距離，當兩個掌子面間圍巖臨近破壞的距離，當L小于該值，圍巖會發(fā)生大變形甚至失穩(wěn)，小于該值，圍巖會發(fā)生大變形甚至失穩(wěn)，必須采取措施方可繼續(xù)施工，定義該距離必須采取措施方可繼續(xù)施工，定義該距離為極限距離為極限距離該隧道中，該隧道中，L=14m，塑性區(qū)貫通；，塑性區(qū)貫通；L=12m，拱頂圍巖豎向應力增值最大，達到應力減拱頂圍巖豎向應力增值最大，達到應力減小的拐點。偏于安全考慮，該工程實例極小的拐點。偏于安全考慮，該工程實例極限距離取限距離取18m（B：隧道開挖寬度）：隧道開挖寬

12、度）Page 16第三部分第三部分 應對措施及效果分析應對措施及效果分析3.1 應對措施應對措施： 封閉其中一個掌子面，單向開挖封閉其中一個掌子面，單向開挖直至貫通，同時今早封閉初期支護直至貫通，同時今早封閉初期支護 提高初期支護強度，如加密鋼支提高初期支護強度，如加密鋼支撐，加大噴射混凝土厚度撐，加大噴射混凝土厚度 對掌子面進行加固，提高掌子面對掌子面進行加固，提高掌子面圍巖強度，對掌子面一定范圍內進圍巖強度，對掌子面一定范圍內進行注漿行注漿說明：應對措施針對的是說明：應對措施針對的是2個掌子面?zhèn)€掌子面距離達極限距離時距離達極限距離時Page 173.2 效果分析：Page 18塑性區(qū)分布塑

13、性區(qū)分布： 不采取加固措施，掌子面前方塑性區(qū)不采取加固措施，掌子面前方塑性區(qū)貫通貫通,并將持續(xù)擴展（工況一）并將持續(xù)擴展（工況一） 提高初支強度，可一定程度上控制塑提高初支強度，可一定程度上控制塑性區(qū)擴展范圍及速度，但效果不明顯性區(qū)擴展范圍及速度，但效果不明顯 對掌子面加固，塑性區(qū)得到很好控制，對掌子面加固，塑性區(qū)得到很好控制，塑性區(qū)擴展范圍和速度明顯減小，擴展塑性區(qū)擴展范圍和速度明顯減小，擴展范圍減小比例達范圍減小比例達95%(工況三工況三) 掌子面注漿加固基礎上同時提高初支掌子面注漿加固基礎上同時提高初支強度，對進一步控制圍巖塑性發(fā)展無效強度，對進一步控制圍巖塑性發(fā)展無效（說明：監(jiān)測斷面為

14、（說明：監(jiān)測斷面為2個掌子面中間里程個掌子面中間里程斷面）斷面）提高初支強度，對控制塑性區(qū)提高初支強度，對控制塑性區(qū)效果不明顯，加固掌子面可有效果不明顯，加固掌子面可有效減小塑性區(qū)的發(fā)展范圍及速效減小塑性區(qū)的發(fā)展范圍及速度度圍巖變形：圍巖變形：L=8m 不采取加固措施，掌子面擠出變形不采取加固措施，掌子面擠出變形最大值達最大值達4.4cm提高支護強度，擠出變形明顯減小，提高支護強度，擠出變形明顯減小，最大值減小為最大值減小為3.5cm,減小約減小約20%注漿加固掌子面，擠出變形減小更注漿加固掌子面，擠出變形減小更明顯，最大值為明顯，最大值為3.2cm,減小約減小約27%(說明：監(jiān)測斷面為說明：

15、監(jiān)測斷面為2個掌子面中間里個掌子面中間里程斷面程斷面) 僅提高初支強度，對提高貫通段僅提高初支強度，對提高貫通段圍巖穩(wěn)定性效果不顯著；注漿加圍巖穩(wěn)定性效果不顯著；注漿加固掌子面能較好提高圍巖穩(wěn)定性；固掌子面能較好提高圍巖穩(wěn)定性；同時采取兩種措施，效果更好同時采取兩種措施，效果更好3.3 實際施工效果實際施工效果：獅子壟隧道貫通段，當獅子壟隧道貫通段，當L=22m（1.2B），出口段停止開挖，封），出口段停止開挖，封閉掌子面，單向開挖至貫通，處閉掌子面，單向開挖至貫通，處于經(jīng)濟及施工便捷考慮采用竹錨于經(jīng)濟及施工便捷考慮采用竹錨管對掌子面注漿加固，另外適當管對掌子面注漿加固，另外適當提高初支參數(shù)提高初支參數(shù)開挖顯示，竹錨管對掌子面加固開挖顯示，竹錨管對掌子面加固效果良好，提高了圍巖穩(wěn)定性，效果良好，提高了圍巖穩(wěn)定性，且經(jīng)濟便捷。且經(jīng)濟便捷。第四部分第四部分 結論結論軟弱圍巖大斷面隧道相向施工臨近貫通時，軟弱圍巖大斷面隧道相向施工臨近貫通時，當當2個掌子面小于個掌子面小于2B時，時，2個掌子面間將相個掌子面間將相互影響，變形加劇，穩(wěn)定性降低，圍巖面互影響，變形加劇，穩(wěn)定性降低，圍巖面臨大變形和失穩(wěn)問題臨大變形和失穩(wěn)問題 2個掌子面