高地应力区断层带隧道围岩变形规律及施工优化方案研究-论文.pdf

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1、公路与汽运总第163期Highways&AutomotiveApplications205高地应力区断层带隧道围岩变形规律及施工优化方案研究*冯亚松,陈志敏,余云燕,赵德安(兰州交通大学土木工程学院甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,甘肃兰州730070)摘要:断层带破碎围岩是一种特殊的软岩,在高地应力环境下施工常出现大变形、坍塌等灾害,严重影响施工安全和施工进度。文中以某高地应力区穿越断层带的公路隧道工程为例,对台阶法施工过程进行数值模拟,重点分析了预支护强度、开挖步长及台阶长度3个因素对断层带隧道围岩拱顶、拱腰及拱脚变形的影响规律,结果表明3个因素都存

2、在最优值使得围岩变形更加合理;综合数值模拟结论,提出了一种安全、快速、经济的施工方案。关键词:隧道;断层带;高地应力;围岩;变形规律;优化方案中图分类号:U455.7文献标志码:A文章编号:1671—2668(2014)04—0205—05断层破碎带是隧道建设中常见的不良地质,极现有研究成果的基础上,采用数值模拟的方法研究易引发大变形及塌方等工程问题,给隧道建设带来断层带施工方法对隧道围岩稳定性的影响,并提出重大损失,尤其对于深埋或高地应力区隧道,这类问适用于依托工程的安全、快速、经济的施工方法。题带来的灾害更为严重。因此,开展断层破碎带隧1工程背景及地质

3、概况道施工中围岩变形规律及稳定性研究极其重要。对于隧道断层施工的变形特性,学者们通过模某隧道全长1502m,最大埋深181.7m,设计型试验、数值模拟和现场试验等手段作了许多研究:为单向三车道,采用多曲率拱形断面,底部反拱设C.CarranzaTorres等采用数值模拟方法,将喷射砼计,开挖断面面积l13.91m,最大开挖高度为l1和型钢钢架等效简化为复合弹性体,对支护结构进m,开挖宽度为15m。行模拟,取得了良好效果;SeokwonJeon等通过模根据隧道沿线地质勘探资料,隧道经过区域存型试验和数值分析结合的方法,研究了断层对隧道在多条断层发育,断层破碎

4、带宽度为10~50m。断位移的影响,同时认为拱顶处进行注浆后拱顶处趋层构造极其发育,岩石节理裂隙发育、岩体破碎,在于稳定;黄生文等采用有限元法,对断层所在区段的灰岩、白云质灰岩中岩溶发育。岩溶水在断层中的围岩应力状态进行数值模拟和分析,结果表明断层砂岩、页岩、泥岩、白云质灰岩、灰岩孔裂隙中富集,的存在使水平及垂直应力分布失去对称性,并在断大大降低了断层带强度。围岩风化严重,工程地质层所经过的拱脚及所在侧的边墙处产生局部高应力复杂,隧道穿越施工过程及其稳定性存在巨大的技区和较大变形;韩现民通过理论分析、现场试验及数术与安全风险。另据实测资料,隧道施工区域地应

5、值模拟,对西格二线关角隧道9工区穿越断层区的力较高,并且水平方向应力远大于竖直方向;断层附支护结构、围岩位移进行监测和分析,结合现场施工近地应力组成,竖直方向为5.86MPa,水平方向为对隧道初期支护结构进行了优化。尽管在这方面的20.4和22.2MPa。研究取得了不少成果,但在高地应力地区或深埋隧2加固施工方案道中,断层带的施工方法及支护结构强度对隧道稳定性的影响程度仍是一个模糊问题,对特定断层区隧道穿越断层破碎带时,及时合理的支护措施隧道施工参数优化进行研究仍然很有必要。该文在可以避免灾害的发生。对于宽度较小的断层破碎*基金项目:国家自然科学基金资助项

6、目(51268031);甘肃省自然科学基金资助项目(1107RJZA084);甘肃省博士后择优资助项目(26001202);高校基本科研业务费资助项目(212098);兰州交通大学青年基金资助项目(2012025);兰州交通大学博士后专项基金资助项目(160009)206公路与汽运2014年7月带,断层岩体挤压紧密,围岩稳定性相对较好时,可m(开挖方向)。在模型开挖方向上的中间位置为断不变更施工方法,避免频繁变更施工方法影响施工层带,断层带宽度为24Yn。整个计算域共划分为进度,但要加强初期支护措施渡过断层带,如超前锚94500个节点和90644个单元。采

7、用弹塑性模型,杆、加厚喷射砼并增设钢筋网、格栅架等。对于宽度屈服条件采用摩尔库伦准则。模型底部施加X、y一般的断层破碎带,通常采用径向锚杆、钢筋网、格和Z方向约束,侧面及顶面施加法相约束,初应力栅钢架等加强初期支护,并在拱部施作超前小导管设置为X方向22.2MPa、y方向20.4MPa、Z方周壁预注浆,对岩体进行预加固。在超前支护下,采向5.86MPa。岩体采用实体单元模拟;锚杆采用用台阶法开挖,在台阶上部施作超前小导管,上部开cabal单元模拟;初期支护格栅拱架和喷射砼层作为挖后及时施作喷射砼和径向锚杆、挂钢筋网和格栅整体考虑,采用liner单元模拟(见

8、图2)。穿越断层钢架,在做好拱部初期支护后再开挖下部台阶。当破碎带

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