节理对黄土隧道围岩稳定性影响研究

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近年来,国内高等级公路建设过程中出现了大量黄土隧道。然而,在大量黄土隧道施工及运营过程中,发生了诸如隧道衬砌开裂、局部塌方等安全事故。分析典型的黄土隧道围岩失稳的原因及破坏情况可知,黄土土体内部节理发育几乎是所有黄土隧道围岩失稳的主要原因之一。因此,开展节理对黄土隧道稳定性影响的研究刻不容缓。基于这一背景,本文搜集、分析了郑西高速铁路隧道工程中黄土隧道围岩大量实测数据,结合目前国内黄土隧道建设的特点,采用有限元软件MIDAS GTS NX建立考虑节理的黄土隧道围岩稳定性分析模型,并在此基础上重点分析节理组数、节理位置以及节理倾角对黄土围岩稳定性的具体影响。得到的主要结论如下:(1)黄土隧道围岩中节理数目越多,隧道围岩完整性越差,土拱效应越不明显,黄土隧道围岩变形越大,拱顶围岩Mises应力逐渐降低,隧道两侧拱腰处围岩Mises应力逐渐增大。(2)黄土隧道围岩节理分布在不同位置,隧道围岩位移场均表现为:拱顶位移最大,拱腰位移次之。节理越靠近隧道边缘,节理两侧围岩位移差异越大,节理越靠近隧道拱顶中部,节理两侧围岩位移差异越小;节理分别处于隧道洞身一侧、拱腰、拱肩以及拱顶时,拱腰处围岩Mises应力出现最大值,呈逐渐增大的趋势;而拱顶及底部处出现最小值,呈逐渐减小的趋势。(3)随着节理倾角的增大,隧道拱顶处围岩位移量逐渐变小,稳定性逐渐增强;且随着节理倾角的增大节理两侧土体位移量差异逐步增大,节理两侧土体中靠近隧道临空面的一侧土体变形幅度由强逐渐减弱,并且随着倾角的增大,这种差异逐渐减小。(4)黄土隧道围岩节理的不同节理因素对围岩稳定性影响各有不同。其中节理倾角的影响最为明显,其次是节理数目,最后是节理位置。(5)在进行黄土隧道设计时,应考虑尽量从节理数量较少的位置通过,同时尽量控制节理位置在隧道拱顶部位、节理方向与隧道断面有较大交角,在以上措施不便于实施的情况下,还可以通过压浆机进行灌浆或者施做锚杆来加固围岩,从而减小节理对黄土隧道围岩稳定性的影响。
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