现代铁路轨道

1、软弱围岩大断面隧道相向施工围岩稳定性分析与掌子面加固研究 专业：道路与铁道工程 导师： 赵秀绍 报告人：庄锦彬 主要内容主要内容Page 2第一部分课题背景与意义第二部分贯通段围岩稳定性分析贯通段围岩稳定性分析第一部分研究意义与现状研究意义与现状第三部分现有无损检测技术分析第三部分应对措施及效果分析应对措施及效果分析第一部分第四部分结论结论Page 3第一部分第一部分 研究意义与现状研究意义与现状 软弱围岩大断面隧道相向施工临近贯通时，随着掌软弱围岩大断面隧道相向施工临近贯通时，随着掌子面前方土体长度的减小，两端隧道开挖产生的扰子面前方土体长度的减小，两端隧道开挖产生的扰动区将会相互叠加，围岩

2、应力及变形较单向施工时动区将会相互叠加，围岩应力及变形较单向施工时复杂，可能出现围岩大变形甚至失稳，危及施工安复杂，可能出现围岩大变形甚至失稳，危及施工安全。全。通过分析相向施工隧道围岩稳定性和变形特征，明通过分析相向施工隧道围岩稳定性和变形特征，明确掌子面相互影响距离和极限距离对于保证隧道顺确掌子面相互影响距离和极限距离对于保证隧道顺利贯通具有重大指导意义。利贯通具有重大指导意义。1.1 研究意义研究意义 ：Page 41.2 研究现状研究现状：吕玺琳等基于极限平衡法和极限分析上限法研究了盾构隧吕玺琳等基于极限平衡法和极限分析上限法研究了盾构隧道维持开挖面稳定的最小极限支护压力道维持开挖面稳

3、定的最小极限支护压力。LI对泥水盾构掌子面各种失稳形式的影响因素、泥水压力对泥水盾构掌子面各种失稳形式的影响因素、泥水压力范围、失稳机理进行了论述。范围、失稳机理进行了论述。杨峰等采用极限分析法对浅埋隧道工作面破坏模式与支护杨峰等采用极限分析法对浅埋隧道工作面破坏模式与支护反力进行研究。反力进行研究。杨峰等采用极限分析法对浅埋隧道工作面破坏模式与支护杨峰等采用极限分析法对浅埋隧道工作面破坏模式与支护反力进行研究。反力进行研究。康勇结合具体工程，在分析围岩稳定性关键影响因素基础康勇结合具体工程，在分析围岩稳定性关键影响因素基础上，结合现场监测和数值模拟对大跨度穿煤隧道围岩结构上，结合现场监测和数

4、值模拟对大跨度穿煤隧道围岩结构稳定性进行了分析。稳定性进行了分析。Page 5Funatsu采用二维离散元研究地层预加固时考虑了相向采用二维离散元研究地层预加固时考虑了相向施工的工况。施工的工况。 (1)（5）只针对单向施工条件）只针对单向施工条件下隧道围岩与掌子面的稳定性下隧道围岩与掌子面的稳定性 （6）未考虑三维效应的相向施）未考虑三维效应的相向施工隧道围岩稳定性工隧道围岩稳定性 相关规范未阐述临近贯通相关规范未阐述临近贯通2个掌个掌子面相互影响的力学机理，且未明子面相互影响的力学机理，且未明确其影响距离确其影响距离小结小结第二部分第二部分 贯通段围岩稳定性分析贯通段围岩稳定性分析2.1

5、工程概况：狮子垄隧道为分离式双向狮子垄隧道为分离式双向6车道，主要穿越砂质版岩、车道，主要穿越砂质版岩、变质砂岩、炭质泥岩；开挖跨度变质砂岩、炭质泥岩；开挖跨度18.03m，高，高12.31；隧；隧道最大埋深道最大埋深124.5m，拟贯通段埋深，拟贯通段埋深84m(见图见图1、2)。Page 7隧道采用短进尺隧道采用短进尺3台阶预留核心土法开挖，各台阶尺寸台阶预留核心土法开挖，各台阶尺寸见图见图3.隧道从进、出口两端相向施工，贯通位置约位于隧道从进、出口两端相向施工，贯通位置约位于隧道中部，临近贯通隧道处左侧以黑色炭质泥岩为主，隧道中部，临近贯通隧道处左侧以黑色炭质泥岩为主，右侧强风化的变质砂

6、岩为主，见图右侧强风化的变质砂岩为主，见图4.Page 82.2 模型建立： 利用利用FLAC3D模拟贯通模拟贯通段，建立图段，建立图5模型，底部模型，底部为固定边界，四侧面为法为固定边界，四侧面为法向约束边界；初始时掌子向约束边界；初始时掌子面相距面相距58m。 围岩采用实体单元模围岩采用实体单元模拟，壳单元模拟初支结构，拟，壳单元模拟初支结构，相关参数见表相关参数见表1.Page 92.3 计算结果分析计算结果分析：2.3.1 围岩塑性区围岩塑性区： 两掌子面距离较远，塑性两掌子面距离较远，塑性 区扩展至前方区扩展至前方5m L=18m，塑性区扩展至前，塑性区扩展至前方方6m L =16m

7、，塑性区扩展至，塑性区扩展至前方前方7m L =14m，塑性区贯通，塑性区贯通 说明：说明：L为两个掌子面距离为两个掌子面距离掌子面距离减小，塑性区掌子面距离减小，塑性区沿拱腰斜向外扩展，然后沿拱腰斜向外扩展，然后沿着边墙墙角向斜下方延沿着边墙墙角向斜下方延伸，呈伸，呈X形分布形分布小结小结 L18m，塑性区不增大，塑性区不增大 L18m，塑性区明显增，塑性区明显增大大L=14m，塑性区贯通，塑性区贯通，相向施工相互影响显著相向施工相互影响显著 Page 112.3.2 围岩位移分析围岩位移分析：拱顶沉降拱顶沉降： 掌子面距监测断面掌子面距监测断面8m,该该断面拱顶沉降量增长显著断面拱顶沉降量

8、增长显著掌子面距监测断面掌子面距监测断面5m,该该断面拱顶沉降量陡增断面拱顶沉降量陡增单向开挖，监测断面拱顶单向开挖，监测断面拱顶沉降量增长平缓沉降量增长平缓 说明：监测断面为说明：监测断面为2个掌子个掌子面中间里程断面面中间里程断面 Page 12掌子面挤出变形掌子面挤出变形：变形规律：两个掌子面临近，变形规律：两个掌子面临近，挤出变形增大，距离越近，变挤出变形增大，距离越近，变形增长越明显；形增长越明显；L=12m，挤出，挤出变形最大值剧增至变形最大值剧增至3.2cm双向施工，掌子面间围岩变形双向施工，掌子面间围岩变形受两开挖面影响，其变形大于受两开挖面影响，其变形大于2个掌子面各自影响效

9、果的线个掌子面各自影响效果的线性叠加性叠加Page 132.3.3 围岩应力分析：围岩应力分析： L较大时，两掌子面对彼此无影较大时，两掌子面对彼此无影响，掌子面前方响，掌子面前方01.5m范围内拱范围内拱顶竖向应力急剧减小；顶竖向应力急剧减小；1.512范围范围竖向应力比原始应力大，最大增值竖向应力比原始应力大，最大增值约约10%，位于距掌子面，位于距掌子面3m处；处；12m外保持初始应力不变外保持初始应力不变 L=36m，最大应力较初始应力，最大应力较初始应力增长幅度为增长幅度为12% L=24m，应力增长幅度，应力增长幅度15% L=18m，应力增长幅度，应力增长幅度18% L=12m，

10、应力增长幅度，应力增长幅度23%，此，此时若时若L继续减小，则监测断面围岩继续减小，则监测断面围岩进入塑性状态进入塑性状态 拱顶竖向应力拱顶竖向应力：Page 14安全系数安全系数：2种工况下，中间断面拱顶安全种工况下，中间断面拱顶安全系数随掌子面的临近均呈减小系数随掌子面的临近均呈减小趋势。但相向施工时，安全系趋势。但相向施工时，安全系数减小比单向施快数减小比单向施快.L=12m，测，测点已经进入塑性状态，拱顶处点已经进入塑性状态，拱顶处竖向应力将急剧减小，而单向竖向应力将急剧减小，而单向施工时该点仍有一定强度储备施工时该点仍有一定强度储备Page 15小结小结对相向施工隧道围岩塑性区发展、

11、变形及对相向施工隧道围岩塑性区发展、变形及应力重分布规律综合分析可知：应力重分布规律综合分析可知：两个掌子面间围岩临近破坏的距离，当两个掌子面间围岩临近破坏的距离，当L小于该值，围岩会发生大变形甚至失稳，小于该值，围岩会发生大变形甚至失稳，必须采取措施方可继续施工，定义该距离必须采取措施方可继续施工，定义该距离为极限距离为极限距离该隧道中，该隧道中，L=14m，塑性区贯通；，塑性区贯通；L=12m，拱顶围岩竖向应力增值最大，达到应力减拱顶围岩竖向应力增值最大，达到应力减小的拐点。偏于安全考虑，该工程实例极小的拐点。偏于安全考虑，该工程实例极限距离取限距离取18m（B：隧道开挖宽度）：隧道开挖宽

12、度）Page 16第三部分第三部分 应对措施及效果分析应对措施及效果分析3.1 应对措施应对措施： 封闭其中一个掌子面，单向开挖封闭其中一个掌子面，单向开挖直至贯通，同时今早封闭初期支护直至贯通，同时今早封闭初期支护 提高初期支护强度，如加密钢支提高初期支护强度，如加密钢支撑，加大喷射混凝土厚度撑，加大喷射混凝土厚度 对掌子面进行加固，提高掌子面对掌子面进行加固，提高掌子面围岩强度，对掌子面一定范围内进围岩强度，对掌子面一定范围内进行注浆行注浆说明：应对措施针对的是说明：应对措施针对的是2个掌子面个掌子面距离达极限距离时距离达极限距离时Page 173.2 效果分析：Page 18塑性区分布塑

13、性区分布： 不采取加固措施，掌子面前方塑性区不采取加固措施，掌子面前方塑性区贯通贯通,并将持续扩展（工况一）并将持续扩展（工况一） 提高初支强度，可一定程度上控制塑提高初支强度，可一定程度上控制塑性区扩展范围及速度，但效果不明显性区扩展范围及速度，但效果不明显 对掌子面加固，塑性区得到很好控制，对掌子面加固，塑性区得到很好控制，塑性区扩展范围和速度明显减小，扩展塑性区扩展范围和速度明显减小，扩展范围减小比例达范围减小比例达95%(工况三工况三) 掌子面注浆加固基础上同时提高初支掌子面注浆加固基础上同时提高初支强度，对进一步控制围岩塑性发展无效强度，对进一步控制围岩塑性发展无效（说明：监测断面为

14、（说明：监测断面为2个掌子面中间里程个掌子面中间里程断面）断面）提高初支强度，对控制塑性区提高初支强度，对控制塑性区效果不明显，加固掌子面可有效果不明显，加固掌子面可有效减小塑性区的发展范围及速效减小塑性区的发展范围及速度度围岩变形：围岩变形：L=8m 不采取加固措施，掌子面挤出变形不采取加固措施，掌子面挤出变形最大值达最大值达4.4cm提高支护强度，挤出变形明显减小，提高支护强度，挤出变形明显减小，最大值减小为最大值减小为3.5cm,减小约减小约20%注浆加固掌子面，挤出变形减小更注浆加固掌子面，挤出变形减小更明显，最大值为明显，最大值为3.2cm,减小约减小约27%(说明：监测断面为说明：

15、监测断面为2个掌子面中间里个掌子面中间里程断面程断面) 仅提高初支强度，对提高贯通段仅提高初支强度，对提高贯通段围岩稳定性效果不显著；注浆加围岩稳定性效果不显著；注浆加固掌子面能较好提高围岩稳定性；固掌子面能较好提高围岩稳定性；同时采取两种措施，效果更好同时采取两种措施，效果更好3.3 实际施工效果实际施工效果：狮子垄隧道贯通段，当狮子垄隧道贯通段，当L=22m（1.2B），出口段停止开挖，封），出口段停止开挖，封闭掌子面，单向开挖至贯通，处闭掌子面，单向开挖至贯通，处于经济及施工便捷考虑采用竹锚于经济及施工便捷考虑采用竹锚管对掌子面注浆加固，另外适当管对掌子面注浆加固，另外适当提高初支参数提高初支参数开挖显示，竹锚管对掌子面加固开挖显示，竹锚管对掌子面加固效果良好，提高了围岩稳定性，效果良好，提高了围岩稳定性，且经济便捷。且经济便捷。第四部分第四部分 结论结论软弱围岩大断面隧道相向施工临近贯通时，软弱围岩大断面隧道相向施工临近贯通时，当当2个掌子面小于个掌子面小于2B时，时，2个掌子面间将相个掌子面间将相互影响，变形加剧，稳定性降低，围岩面互影响，变形加剧，稳定性降低，围岩面临大变形和失稳问题临大变形和失稳问题 2个掌子面