隧道顶拱架空岩体崩落影响评价与防治措施研究

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当隧道施工或地质缺陷使顶拱上方存在空洞或隧道穿过采空区、岩溶区时,顶拱上方架空岩体给隧道的整体安全带来了巨大的隐患,为了维持隧道的畅通和正常运营,保障车辆、行人的生命财产安全,应正确评价架空岩体对隧道结构稳定性的影响。因此,本文结合具体工程案例,分析隧道顶拱架空岩体的发育特征和潜在失稳破坏模式,讨论影响架空岩体稳定性的主要因素和失稳诱发因素,然后对架空岩体的稳定性做出评价。通过数值仿真手段,评价架空岩体崩落冲击对衬砌结构的危害性,对比在不同架空岩体防治措施下衬砌结构的变形响应特征,然后根据室内混凝土配比试验和数值模拟结果提出轻质混凝土封填空洞的防治措施,为面临相似问题的隧道提供参考和借鉴依据。通过以上研究本文主要成果如下:(1)通过详细实地调查、结合三维激光扫描等手段,掌握研究区地形地貌、地层岩性等工程地质特征,结合架空岩体内节理裂隙发育、相互交切关系等,得出空洞洞口正上方(架空岩体外侧)发育的危岩块体在长期重力作用下可能发生坠落式崩塌破坏。空洞顶板在竖向和近水平向裂隙切割下块体发生塌落破坏后,可能导致架空岩体从下往上逐步塌落破坏。(2)通过裂隙岩体室内冻融应变试验分析水冰相变下岩体裂隙扩展的规律,通过岩块室内冻融循环试验及单轴压缩试验分析岩石在经过不同冻融循环次数后力学性质的衰减规律。试验结果表明,裂隙含水试样在不同冻融循环次数作用下均产生了正的残余微应变,即试样裂隙在冻融作用下产生了扩张变形;岩块试样强度随着冻融循环次数的增加逐渐降低。(3)对于空洞口上方大型危岩块体,考虑主控结构面连通率对其稳定性的影响,基于极限平衡理论评价危岩块体稳定性,结果表明危岩块体对结构面连通率非常敏感,随着结构面连通率逐渐增加,在诱发因素作用下危岩块体稳定性迅速变差。根据架空岩体发育特征和潜在失稳破坏模式,基于极限平衡理论和最小安全厚度法综合评价架空岩体的稳定性。结果表明洞口处架空岩体目前处于基本稳定状态;而依据极限平衡理论,把洞口上方岩体厚度作为一个“临界厚度”,推测出岩体结构面连通率后计算得到架空岩体稳定性,即整个架空岩体大部分都处于基本稳定状态。(4)利用ABAQUS有限元软件对危岩块体冲击衬砌过程进行模拟,分析不同冲击角度下衬砌结构的动力响应特征。从衬砌结构最危险截面混凝土单元应力、位移和损伤分布,衬砌结构内力、钢筋应力以及危岩块体坠落产生的冲击力等角度综合分析得出,拱肩以上混凝土在危岩块体冲击作用下迅速发生破坏,而衬砌拱腰及以下部位未出现明显塑性损伤。(5)鉴于架空岩体崩落对衬砌结构的危害,需要考虑对架空岩体进行防治,利用数值模拟手段分别考虑空洞顶混凝土柱支撑、衬砌上方铺填砂土缓冲层和混凝土封填空洞措施下衬砌结构的变形特征。发现空洞顶混凝土柱支撑措施下柱端产生了应力集中,衬砌拱顶处部分混凝土出现了塑性变形;衬砌上方铺填1m、2m和3m的砂土缓冲层措施下,遭受危岩块体冲击后衬砌混凝土最小主应力衰减很快,但最大主应力均达到了混凝土极限抗拉强度。对比封填不同密度混凝土措施下衬砌结构的变形特征后,发现降低封填体混凝土的密度能有效改善衬砌结构的受力状态,提升结构的安全裕度。据此开展混凝土配合比试验,得到密度低至800kg/m~3还能保持一定强度和塌落度的混凝土配比为水泥:水:粉煤灰:陶粒:陶砂=1:0.5:0.05:0.96:0.64,此配比下的轻质混凝土较普通混凝土能有效提高衬砌边缘各个部位的安全系数。
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