• ISSN 0258-2724
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昔格达地层隧道围岩的失稳特征及变形控制工法

王志杰 周平 杨建民 曹晓川 赵启超 徐海岩 许瑞宁

王志杰, 周平, 杨建民, 曹晓川, 赵启超, 徐海岩, 许瑞宁. 昔格达地层隧道围岩的失稳特征及变形控制工法[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(4): 757-768. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170257
引用本文: 王志杰, 周平, 杨建民, 曹晓川, 赵启超, 徐海岩, 许瑞宁. 昔格达地层隧道围岩的失稳特征及变形控制工法[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(4): 757-768. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170257
WANG Zhijie, ZHOU Ping, YANG Jianmin, CAO Xiaochuan, ZHAO Qichao, XU Haiyan, XU Ruining. Instability Properties and Deformation Control Methods of Rocks Surrounding Xigeda Strata[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(4): 757-768. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170257
Citation: WANG Zhijie, ZHOU Ping, YANG Jianmin, CAO Xiaochuan, ZHAO Qichao, XU Haiyan, XU Ruining. Instability Properties and Deformation Control Methods of Rocks Surrounding Xigeda Strata[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(4): 757-768. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170257

昔格达地层隧道围岩的失稳特征及变形控制工法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170257
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51678498);中央高校基本科研业务专项资金资助项目(SWJTU11ZT33);教育部创新团队发展计划资助项目(IRT0955)
详细信息
    作者简介:

    王志杰(1964—),男,教授,研究方向为隧道及地下工程的理论与实践,E-mail:1049814641@qq.com

  • 中图分类号: U45

Instability Properties and Deformation Control Methods of Rocks Surrounding Xigeda Strata

  • 摘要: 昔格达地层是一种分布于我国西南地区的河湖相沉积半成岩,具有水稳性差,遇水易泥化、崩解等特点,在隧道开挖中易出现坍塌、围岩大变形等灾害,对隧道安全施工产生不利影响. 基于此,依托攀西地区昔格达地层桐梓林、垭口以及盐边隧道工程,现场取样并进行围岩室内物理力学试验,同时建立不同含水率深浅埋昔格达地层隧道有限元模型,探究不同含水率下昔格达地层隧道围岩的失稳特征,并提出针对昔格达地层隧道施工变形控制工法. 研究结果表明:昔格达地层对水较为敏感,其中浅灰色页岩夹砂岩的物理力学性质受含水率影响最大;当围岩含水率在0~20%之间时,昔格达地层隧道围岩变形呈现递增,但变形较小,自稳性较好,当含水率在20%~25%时,隧道围岩变形增大明显,失稳潜力巨大;在大埋深、高含水率的条件下,隧道仰拱隆起累计变形和掌子面挤出累计变形急剧增大,在拱顶部位,掌子面挤出变形主要发生在上中台阶交界处;针对昔格达地层隧道围岩失稳变形特征,提出在无水和有水状态下的昔格达地层页岩夹砂岩、砂岩夹页岩隧道围岩施工工法.

     

  • 图 1  昔格达土

    Figure 1.  Xigeda soil

    图 2  不同含水率和各级垂直压力下试件的压缩模量

    Figure 2.  Compressive moduli of specimens with different moisture contents and levels of vertical pressure

    图 3  原状围岩试样在不同含水率下的抗剪强度指标

    Figure 3.  Shear strength index value of the remolded soil samples under different moisture contents

    图 4  三维计算模型(埋深50 m)

    Figure 4.  Three-dimensional model(depth:50 m)

    图 5  施工工法和支护建模

    Figure 5.  Three step method model

    图 6  不同隧道埋深中断面拱顶沉降变形曲线

    Figure 6.  Settlement deformation curve of the tunnel crown under different burial depths

    图 7  隧道拱顶沉降累计变形曲线

    Figure 7.  Settlement cumulative deformation curve of the tunnel crown

    图 8  不同隧道埋深中断面水平收敛变形曲线

    Figure 8.  Horizontal convergence curve of the tunnel under different burial depths

    图 9  隧道水平收敛累计变形曲线

    Figure 9.  Cumulative deformation curve of horizontal convergence

    图 10  不同埋深条件下,隧道仰拱隆起变形曲线

    Figure 10.  Uplift deformation curve of the inverted arch of tunnel under different burial depths

    图 11  隧道仰拱隆起累计变形曲线

    Figure 11.  Uplift cumulative deformation curve of the inverted arch

    图 12  不同埋深下的隧道掌子面挤出变形曲线

    Figure 12.  Extrusion deformation curve of the tunnel face under different burial depths

    图 13  昔格达地层隧道围岩变形控制施工工法

    Figure 13.  Construction control of the surrounding rock deformation for tunnel in Xigeda strata

    表  1  5种原状围岩试样最大压缩模量

    Table  1.   Maximum approximate compression modulus of five kinds of undisturbed soil

    围岩种类 最大压缩模量/MPa 最大含水率压缩模量/MPa 占最大压缩模量比例/%
    1号 64.60 7.80 12.1
    2号 64.17 39.07 60.9
    3号 49.48 25.58 51.7
    4号 38.56 16.34 42.4
    5号 70.59 29.17 41.3
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    表  2  不同含水率条件下的围岩物理力学参数

    Table  2.   Physical and mechanical parameters of surrounding rocks under different moisture contents

    含水率/% 密度/(g•cm–3 弹性模量/MPa 泊松比 粘聚力/kPa 内摩擦角/(°)
    0 1.95 193.89 0.4 343.4 44.5
    5 1.95 189.54 0.4 322.8 40.7
    10 1.95 184.80 0.4 302.1 36.8
    15 1.95 180.06 0.4 281.4 33.0
    20 1.95 175.35 0.4 260.7 29.1
    25 1.95 121.65 0.4 196.3 24.8
    30 1.95 23.43 0.4 75.5 22.8
      注:密度对数值模拟结果影响较小,因此,围岩密度均
        取室内物理力试验得到的密度平均值1.95 g/cm3.
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    表  3  材料物理力学参数

    Table  3.   Physical and mechanical parameters

    名称 弹性模
    量/MPa
    泊松比 粘聚
    力/kPa
    内摩擦角/(°) 密度/
    (kg•m–3)
    初期支护 27.57 0.2 2 500
    二次衬砌 32.64 0.2 2 500
    仰拱回填区 28.00 0.2 2 300
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    表  4  不同埋深隧道掌子面挤出变形最大值

    Table  4.   Maximum values of extrusion deformation of the tunnel face under different burial depths

    隧道埋
    深/m
    挤出变形
    最大值/mm
    位置 增大比率
    20 9.04 上中台阶交界处 2.21
    50 29.07 上台阶距中台阶较近处
    80 68.99 上中台阶交界处 1.37
    110 138.06 上中台阶交界处 1.01
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-01
  • 修回日期:  2018-01-11
  • 网络出版日期:  2019-04-28
  • 刊出日期:  2019-08-01

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