浅埋偏压小净距隧道洞口段施工方法优化研究

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本文以汶马高速鹧鸪山隧道为工程依托,通过板岩、千枚岩试样的扫描电镜—能谱分析试验,了解这两种岩石的化学元素成分和微结构特征;通过对现场监控量测数据进行处理分析,总结围岩变形规律;借助于有限差分软件FLAC3D,对设计单位给定的四种开挖工法(全断面法(适用于部分围岩较好段),台阶法,预留核心土法和中隔墙法)进行三维模拟,将围岩应力、变形和塑性区发展等作为优选指标,确定最合理施工工法;在此基础上,优化偏压小净距隧道施工工序。主要获得如下结论:1、通过板岩、千枚岩试样的扫描电镜—能谱分析试验可以看出:千枚岩样品表面微裂隙较多,其矿物呈定向排列,板岩样品表面平整光滑,定向构造不明显。2、现场监控量测反映的围岩变形规律地表沉降:隧道纵轴方向上,开挖上弧形导坑对开挖面正上方岩土体造成的影响最大,当开挖面通过监测断面时,监测断面的地表沉降速率将达到一个峰值;横向上,地表沉降值左右对称与否,与地表起伏有关,当地表坡度平缓时,左右沉降较为对称,当地表坡度较大时,高处地面沉降较大,低处沉降较小。拱顶沉降:在隧道洞口浅埋段,随着离洞口的距离增大(埋深逐渐增大),断面拱顶沉降量逐渐减小;随着开挖面的不断向前推进,开挖面岩体对围岩的约束作用逐渐减弱,洞周围岩拱顶沉降变形逐渐增大。水平收敛:水平收敛值并不是随时间或者到掌子面距离单调递增的,断面有可能发生短暂外扩现象。3、通过模拟四种施工方法开挖偏压单洞隧道,可以看出从控制位移终值角度讲,中隔墙法和全断面法相对其余两种工法具有一定优势。但就开挖后短时间内围岩位移、开挖面挤出位移和开挖面塑性区深度而言,全断面法都是极其不利的,而中隔墙法却表现了极大的优势。这说明全断面法虽然具有控制位移终值方面的优势,但其开挖作业本身的安全性是极差的。因此,综合考虑围岩变形和稳定性,中隔墙法是最优施工方法。当然,如果考虑到工程经济性,那么在保证施工安全的前提下,预留核心土法也是可行的。4、通过偏压小净距隧道的工序优选计算,可以发现:无论是浅埋洞还是深埋洞,先开挖比后开挖其竖向位移要小,因而在施工中,如果想控制深埋洞围岩位移,那就应该先开挖深埋洞;单就开挖一个洞而言,先开挖浅埋侧岩体造成的拱顶沉降比先开挖深埋侧岩体要小,因而在施工中,如果想控制深埋洞围岩位移,那就应该采用先内后外(先开挖紧挨着中夹岩的内侧岩土体,再开挖外侧岩土体;先外后内与此相反)的工序施工;当采用先浅后深,先外后内工序开挖时,中夹岩上部负向水平位移(指向浅埋侧)最大,中夹岩下部正向水平位移(指向深埋侧)也是最大的,中夹岩柱向浅埋侧倾覆的趋势相对其他三种工序是最明显的;采用先浅后深的工序时中夹岩塑性区未贯通,采用先深后浅工序则贯通;从中夹岩塑性区面积大小来说,采用先内后外工序比采用先外后内要小。考虑到中夹岩稳定是小净距隧道设计施工的关键,那么合理的工序应该是先浅后深,先内后外。
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