富水黄土隧道围岩变形特征与控制技术研究

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《甘肃省“十四五”综合交通运输体系发展规划》提出到2025年甘肃省将会形成“东连西出、南耕北拓、两廊六轴十直联”的综合交通网主骨架,这就意味着会建设更多的黄土隧道工程。随着甘肃黄土地区多条高速铁路、公路和地铁隧道等隧道工程的相继建设与运营,富水黄土造成的施工技术难题和运营阶段的隧道结构病害越来越多。本文以甜永高速榆林子隧道富水段施工实践为依托,考虑其围岩强度低、围岩大变形、支护结构开裂等特点,为达到安全快速建设的目的,对富水黄土隧道围岩变形特征与控制措施进行研究,主要内容和结果如下:(1)通过查阅相关文献总结关于富水黄土隧道现场监测、模型试验、数值模拟及支护加固等方面的研究现状,并且对近年来10余座富水黄土隧道在建设过程中所遇到的施工难题进行分析,总结出了不同地下水渗流类型以及适合富水黄土隧道的施工工法、支护参数等,控制措施等。(2)基于现场围岩变形数据,对隧道全程的收敛和沉降数据进行研究,研究得出隧道的围岩变形量受降雨影响较大,围岩变形的稳定时间约为35 d;通过对典型断面围岩变形的分析,富水黄土隧道的围岩变形都表现出变形快速发展—变形持续发展—变形稳定3个阶段的变化趋势,并且其变形曲线符合指数型分布。(3)对围岩压力及支护结构的变化特征和规律进行分析,发现榆林子隧道边墙与拱脚部位受力较大,为危险部位,原因为在隧道开挖过程中,地下水渗流后在拱脚处汇集,导致拱脚处围岩发生软化,地基承载能力下降,因而也造成了仰拱的隆起开裂。(4)通过MIDAS-GTS-NX建立三维数值模型对榆林子隧道的位移场和应力场进行分析,分析表明在无水状态下隧道围岩变形及支护结构受力均在安全范围内;并且进行了渗流-应力耦合数据分析,分析在有水状态下隧道围岩的变形及支护结构的受力特点,并与不考虑水渗流作用下的分析结果进行比对,对比结果表明在有水状态下,隧道拱脚部位处于不稳定状态,与现场情况较为符合。(5)针对榆林子隧道大变形问题,提出大管棚+超前注浆小导管、拱脚钢管桩+旋喷桩、帷幕注浆三种加固措施并进行数值计算,通过加固前后对比分析发现帷幕注浆对于富水黄土隧道的围岩变形控制效果最为明显。
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