石膏质岩地下洞室围岩综合修正分级方法研究

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随着隧道工程的大力建设,越来越多隧道穿越了含石膏质岩的地层,据统计资料显示,近几十年来受到石膏质岩影响的隧道越来越多,所以隧道建设时遇到石膏质岩也是在所难免。处于含石膏质岩地层的隧道往往会发生各种各样的病害问题,主要原因是石膏质岩在水条件下的特殊性质会对围岩及支护结构产生影响,并且在隧道勘察和设计施工阶段没有重视或考虑这些影响,会导致围岩级别的判定产生偏差,不能准确地指导设计和施工。本文为了探究石膏质岩特殊性质对围岩分级的影响,针对石膏质岩特有的溶蚀性、膨胀性和腐蚀性,分析其危害和机理,研究考虑石膏质岩溶蚀性、膨胀性、腐蚀性的围岩分级修正方法,总结考虑石膏质岩综合特性的围岩分级修正方法。本文的主要工作和取得的主要成果如下:(1)分析并总结了石膏质岩溶蚀性的危害和机理;选取围岩分级BQ作为围岩分级修正的基础,将单轴饱和抗压强度作为修正指标;选取石膏质岩溶蚀模拟试验的单轴抗压强度试验结果进行分析,定义了单轴抗压强度折减系数,对控制变量流速(干湿循环次数)和单轴抗压强度、单轴抗压强度折减系数进行拟合,发现流速(干湿循环次数)与单轴抗压强度、单轴抗压强度折减系数具有良好的相关性;考虑流速与干湿循环次数的耦合作用,将两者与单轴抗压强度(单轴抗压强度折减系数)进行三维拟合分析,得到了相关程度较高的拟合结果,将单轴抗压强度折减系数拟合函数与围岩分级BQ相结合,得到了考虑石膏质岩溶蚀性的围岩分级修正公式;结合单轴抗压强度折减系数拟合函数的偏导数分析和相关学者的研究,考虑了干湿循环的最大化影响,得到了修正系数部分仅含有流速的考虑石膏质岩溶蚀性的围岩分级修正公式。(2)分析并总结了石膏质岩膨胀性的危害和机理;建立了膨胀压力的简化计算模型,参考弹性力学轴对称问题推导了膨胀压力的解析解;对《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)中围岩压力与围岩级别的统计关系式进行了修正,建立了膨胀压力与围岩级别的关系;考虑了洞室跨度和简化计算模型中膨胀围岩的取值范围,计算了膨胀压力,对岩性较差的Ⅳ、Ⅴ级围岩进行了围岩级别的修正,对修正结果分析发现膨胀压力对Ⅳ级围岩的修正影响作用更大;将围岩级别的修正结果与围岩分级BQ建立联系,定义了膨胀修正系数,得到Ⅳ、Ⅴ级围岩的膨胀修正系数取值范围分别为0.7~0.83、0.74~0.86,建立了考虑石膏质岩膨胀性的围岩分级修正方法。(3)从化学反应的角度分析了石膏质岩对混凝土衬砌的腐蚀,结合病害从微观上分析总结了腐蚀机理;结合混凝土腐蚀过程的分析和相关学者的研究成果,对混凝土内部区域进行了简要划分,并建立了混凝土衬砌腐蚀劣化的三种状态:无腐蚀劣化状态、部分腐蚀劣化状态和完全腐蚀劣化状态;基于混凝土简化情况下的部分腐蚀劣化状态建立了混凝土衬砌腐蚀模型,根据该模型计算了混凝土衬砌腐蚀10~100年的厚度变化情况,结合ABAQUS数值模拟得到了石膏质岩隧道混凝土衬砌腐蚀的受力变化规律;结合衬砌腐蚀的受力变化规律对围岩压力与围岩级别的统计关系式进行修正,计算了Ⅳ、Ⅴ级围岩考虑混凝土衬砌腐蚀影响的修正围岩级别;将围岩级别的修正结果与围岩分级BQ建立联系,定义了腐蚀修正系数,得到Ⅳ、Ⅴ级围岩的腐蚀修正系数分别为0.91~0.97、0.87~0.96,建立了考虑混凝土衬砌腐蚀的石膏质岩围岩分级修正方法。(4)综合考虑石膏质岩溶蚀性、膨胀性和腐蚀性的围岩分级修正方法,得到了考虑石膏质岩综合特性的围岩分级修正方法;将考虑石膏质岩综合特性的围岩分级修正方法应用于一个病害情况比较典型的石膏质岩隧道工程案例,将围岩分级修正结果与围岩分级BQ的分级结果作对比,发现修正BQ比原BQ下降了45%~72%,围岩级别下降了一级;针对石膏质岩隧道,在勘察、设计施工以及运营维护阶段提出了一些有用的建议。
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