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(dǎo)師： 趙秀紹 報(bào)告人：莊錦彬 主要內(nèi)容主要內(nèi)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(shù)分析第三部分應(yīng)對措施及效果分析應(yīng)對措施及效果分析第一部分第四部分結(jié)論結(jié)論P(yáng)age 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(shí)，隨著掌軟弱圍巖大斷面隧道相向施工臨近貫通時(shí)，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(yīng)力及變形較單向施工時(shí)動區(qū)將會相互疊加，圍巖應(yīng)力及變形較單向施工時(shí)復(fù)雜，可能出現(xiàn)圍巖大變形甚至失穩(wěn)，危及施工安復(fù)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(dǎo)意義。利貫通具有重大指導(dǎo)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(gòu)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(gòu)隧道維持開挖面穩(wěn)定的最小極限支護(hù)壓力道維持開挖面穩(wěn)

3、定的最小極限支護(hù)壓力。LI對泥水盾構(gòu)掌子面各種失穩(wěn)形式的影響因素、泥水壓力對泥水盾構(gòu)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(jī)理進(jìn)行了論述。范圍、失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)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(hù)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(hù)反力進(jìn)行研究。反力進(jìn)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(hù)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(hù)反力進(jìn)行研究。反力進(jìn)行研究。康勇結(jié)合具體工程，在分析圍巖穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因素基礎(chǔ)康勇結(jié)合具體工程，在分析圍巖穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因素基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬對大跨度穿煤隧道圍巖結(jié)構(gòu)上，結(jié)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。Page 5Funatsu采用二維離散元研究地層預(yù)加固時(shí)考慮了相向采用二維離散元研究地層預(yù)加固時(shí)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(yīng)的相向施）未考慮三維效應(yīng)的相向施工隧道圍巖穩(wěn)定性工隧道圍巖穩(wěn)定性 相關(guān)規(guī)范未闡述臨近貫通相關(guān)規(guī)范未闡述臨近貫通2個(gè)掌個(gè)掌子面相互影響的力學(xué)機(jī)理，且未明子面相互影響的力學(xué)機(jī)理，且未明確其影響距離確其影響距離小結(jié)小結(jié)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(zhì)版巖、車道，主要穿越砂質(zhì)版巖、變質(zhì)砂巖、炭質(zhì)泥巖；開挖跨度變質(zhì)砂巖、炭質(zhì)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(jìn)尺隧道采用短進(jìn)尺3臺階預(yù)留核心土法開挖，各臺階尺寸臺階預(yù)留核心土法開挖，各臺階尺寸見圖見圖3.隧道從進(jìn)、出口兩端相向施工，貫通位置約位于隧道從進(jìn)、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(cè)以黑色炭質(zhì)泥巖為主，隧道中部，臨近貫通隧道處左側(cè)以黑色炭質(zhì)泥巖為主，右側(cè)強(qiáng)風(fēng)化的變質(zhì)砂

6、巖為主，見圖右側(cè)強(qiáng)風(fēng)化的變質(zhì)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(cè)面為法為固定邊界，四側(cè)面為法向約束邊界；初始時(shí)掌子向約束邊界；初始時(shí)掌子面相距面相距58m。 圍巖采用實(shí)體單元模圍巖采用實(shí)體單元模擬，殼單元模擬初支結(jié)構(gòu)，擬，殼單元模擬初支結(jié)構(gòu)，相關(guān)參數(shù)見表相關(guān)參數(shù)見表1.Page 92.3 計(jì)算結(jié)果分析計(jì)算結(jié)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(yuǎn)，塑性兩掌子面距離較遠(yuǎn)，塑性 區(qū)擴(kuò)展至前方區(qū)擴(kuò)展至前方5m L=18m，塑性區(qū)擴(kuò)展至前，塑性區(qū)擴(kuò)展至前方方6m L =16m

7、，塑性區(qū)擴(kuò)展至，塑性區(qū)擴(kuò)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(gè)掌子面距離為兩個(gè)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(kuò)展，然后沿拱腰斜向外擴(kuò)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(jié)小結(jié) 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(gè)掌子個(gè)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(gè)掌子面臨近，變形規(guī)律：兩個(gè)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(gè)掌子面各自影響效

9、果的線個(gè)掌子面各自影響效果的線性疊加性疊加Page 132.3.3 圍巖應(yīng)力分析：圍巖應(yīng)力分析： L較大時(shí)，兩掌子面對彼此無影較大時(shí)，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(nèi)拱范圍內(nèi)拱頂豎向應(yīng)力急劇減??；頂豎向應(yīng)力急劇減??；1.512范圍范圍豎向應(yīng)力比原始應(yīng)力大，最大增值豎向應(yīng)力比原始應(yīng)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(yīng)力不變外保持初始應(yīng)力不變 L=36m，最大應(yīng)力較初始應(yīng)力，最大應(yīng)力較初始應(yīng)力增長幅度為增長幅度為12% L=24m，應(yīng)力增長幅度，應(yīng)力增長幅度15% L=18m，應(yīng)力增長幅度，應(yīng)力增長幅度18% L=12m，

10、應(yīng)力增長幅度，應(yīng)力增長幅度23%，此，此時(shí)若時(shí)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(jìn)入塑性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài) 拱頂豎向應(yīng)力拱頂豎向應(yīng)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(shí)，安全系趨勢。但相向施工時(shí)，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(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)，拱頂處點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)，拱頂處豎向應(yīng)力將急劇減小，而單向豎向應(yīng)力將急劇減小，而單向施工時(shí)該點(diǎn)仍有一定強(qiáng)度儲備施工時(shí)該點(diǎn)仍有一定強(qiáng)度儲備Page 15小結(jié)小結(jié)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(yīng)力重分布規(guī)律綜合分析可知：應(yīng)力重分布規(guī)律綜合分析可知：兩個(gè)掌子面間圍巖臨近破壞的距離，當(dāng)兩個(gè)掌子面間圍巖臨近破壞的距離，當(dāng)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(yīng)力增值最大，達(dá)到應(yīng)力減拱頂圍巖豎向應(yīng)力增值最大，達(dá)到應(yīng)力減小的拐點(diǎn)。偏于安全考慮，該工程實(shí)例極小的拐點(diǎn)。偏于安全考慮，該工程實(shí)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(yīng)對措施及效果分析應(yīng)對措施及效果分析3.1 應(yīng)對措施應(yīng)對措施： 封閉其中一個(gè)掌子面，單向開挖封閉其中一個(gè)掌子面，單向開挖直至貫通，同時(shí)今早封閉初期支護(hù)直至貫通，同時(shí)今早封閉初期支護(hù) 提高初期支護(hù)強(qiáng)度，如加密鋼支提高初期支護(hù)強(qiáng)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(jìn)行加固，提高掌子面對掌子面進(jìn)行加固，提高掌子面圍巖強(qiáng)度，對掌子面一定范圍內(nèi)進(jìn)圍巖強(qiáng)度，對掌子面一定范圍內(nèi)進(jìn)行注漿行注漿說明：應(yīng)對措施針對的是說明：應(yīng)對措施針對的是2個(gè)掌子面?zhèn)€掌子面距離達(dá)極限距離時(shí)距離達(dá)極限距離時(shí)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(kuò)展（工況一）并將持續(xù)擴(kuò)展（工況一） 提高初支強(qiáng)度，可一定程度上控制塑提高初支強(qiáng)度，可一定程度上控制塑性區(qū)擴(kuò)展范圍及速度，但效果不明顯性區(qū)擴(kuò)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(kuò)展范圍和速度明顯減小，擴(kuò)展塑性區(qū)擴(kuò)展范圍和速度明顯減小，擴(kuò)展范圍減小比例達(dá)范圍減小比例達(dá)95%(工況三工況三) 掌子面注漿加固基礎(chǔ)上同時(shí)提高初支掌子面注漿加固基礎(chǔ)上同時(shí)提高初支強(qiáng)度，對進(jìn)一步控制圍巖塑性發(fā)展無效強(qiáng)度，對進(jìn)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(gè)掌子面中間里程個(gè)掌子面中間里程斷面）斷面）提高初支強(qiáng)度，對控制塑性區(qū)提高初支強(qiáng)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(dá)最大值達(dá)4.4cm提高支護(hù)強(qiáng)度，擠出變形明顯減小，提高支護(hù)強(qiáng)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(gè)掌子面中間里個(gè)掌子面中間里程斷面程斷面) 僅提高初支強(qiáng)度，對提高貫通段僅提高初支強(qiáng)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(shí)采取兩種措施，效果更好同時(shí)采取兩種措施，效果更好3.3 實(shí)際施工效果實(shí)際施工效果：獅子壟隧道貫通段，當(dāng)獅子壟隧道貫通段，當(dāng)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(jì)及施工便捷考慮采用竹錨于經(jīng)濟(jì)及施工便捷考慮采用竹錨管對掌子面注漿加固，另外適當(dāng)管對掌子面注漿加固，另外適當(dāng)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(jì)便捷。且經(jīng)濟(jì)便捷。第四部分第四部分 結(jié)論結(jié)論軟弱圍巖大斷面隧道相向施工臨近貫通時(shí)，軟弱圍巖大斷面隧道相向施工臨近貫通時(shí)，當(dāng)當(dāng)2個(gè)掌子面小于個(gè)掌子面小于2B時(shí)，時(shí)，2個(gè)掌子面間將相個(gè)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(gè)掌子面