论文部分内容阅读
本文以深圳横龙山匝道隧道工程为实例，在研究了该地区围岩岩体结构特征的基础上，分析了该隧道喇叭口最大断面304.14m2、最大跨度为29.171m、高跨比为0.45的超大异形断面侧向扩挖和非对称断面匝道隧道近接施工时的围岩变化特征。
本论文研究内容及采用的研究方法为：
(1)围岩岩体结构特征。通过对隧道的工程地质条件分析，结合工程勘察资料把握隧道内外工程地质与水文地质条件，在隧道开挖后进行洞内结构面的实际分区、测量和统计，运用Monte-Carlo随机模拟方法对结构面网络进行模拟预测并结合隧道爆破振动监测数据、引入岩体扫描电镜测试从宏观到微观来分析岩体结构特征。
(2)岩体工程地质参数估算与选取。通过岩体力学性质试验取得岩体物理力学参数试验值，采用岩体质量RMR、Q体系评价岩体质量，运用Hoek-Brown经验公式等方法进行力学参数估算，以便岩体的力学指标和参数的综合选取。
(3)匝道隧道围岩变形特征的解析方法研究。在研究岩体结构特征的基础上，通过弹塑性理论、复变函数理论Schwarz交替法和等代圆法推导出横龙山隧道喇叭口段侧向扩挖和分岔段非对称近接施工断面复应力函数的具体形式，并对围岩应力、应变特征进行理论分析，得出解析结论；探求大断面扩挖与非对称近接断面隧道围岩变形特征和规律。
(4)匝道隧道围岩变形特征的数值方法研究。在总结岩体质量、工程地质条件及性质的基础上，对研究对象进行工程地质数值模拟，选取适合的数值计算方法，得出数值解，并与解析结论、特征监测点和现场开挖后的实际情况进行对比；总结相关结论和原因，揭示匝道隧道围岩变形特征。
(5)匝道隧道近接特征判定研究。在得出围岩变形特征和总结国内外大量研究成果的基础上，提出匝道隧道近接类型(连拱隧道、小净距隧道、分离式隧道)的判定标准，并以此得出深圳横龙山隧道匝道段隧道特征。引入不同级别围岩下的计算和判定结果，总结不同围岩级别下隧道特征的评定标准及建议值。
本文主要研究结论有：
(1)研究区新构造运动表现为自晚第三纪以来，地壳运动以区域性隆起为特征，并经历了多次的构造抬升及长期的剥蚀作用，形成较大规模的北西向断裂及北北东向压扭性断裂，使得研究区内存在F1、F2、F3三条压扭性构造破裂带。结合开挖后揭示的岩体结构性状建立结构面网络模型，引入Monte-Carlo随机模拟模型进行结构面形态的模拟，结果表明区内各结构面的方位基本服从正态分布，而隙宽与迹长大部分满足负指数分布；受地区构造发育影响，结构面绝大多数为高陡倾角分布，节理在Ⅲ-V类岩体附近产状较为一致但岩石块径的RQD在不同方位值有变化，说明该区岩石块度随结构面的发育方向不同而不同，岩体呈现出各向异性，这将导致岩体在不同方向上物理性质有差别；从结构面实测产状、位置、性质及岩体结构面模拟结果来看，F2、F3断层对围岩体影响不大，仅F1断层对第3区岩体有影响。
(2)通过现场爆破振动监测和室内扫描电镜试验，从宏观和微观上对岩体结构性质进行分析，认为岩体结构面主要以高陡倾角形式与隧道轴向相交，围岩岩体相对较均质，为似斑状基质花岗结构，格子构造较发育，具压碎和花岗鳞片变晶结构。岩体以钾长石和石英为主，对称双晶纹结构，两者胶结完好：钾长石矿物颗粒较大、局部有聚集现象，微裂隙不发育；石英矿物具有重结晶、压扁拉长现象，多为结晶联结和韧性联结，表明岩体具有弹、塑性变形和破坏特征。
(3)结合岩体单轴、直剪等室内试验分析和原位声波测试，利用RMR和Q评价系统对岩体质量进行综合评定，然后通过Hoek-Brown(2002)经验估算进行力学参数估算，最后根据当地经验进行综合选取，表明岩体1～2区Ⅳ类围岩岩体较完整，3区II～Ⅲ类围岩为受F1断层影响，导致岩体较破碎，4区Ⅴ类围岩岩体则最为完整。
(4)采用复变函数理论Schwarz交替法结合等代圆法，将横龙山隧道跨度为29.171m的超大和非对称近接断面化简为无限平板下双洞多连通区域进行求解，利用MATLAB6.5软件进行编程机算，确定扩挖断面单次扩挖宽度为4m时最为合理。随着扩挖次数的增加，拉应力逐渐向上扩展，即向拱腰方向发展。通过对三次扩挖后的变形特征和围岩岩体三、四、五次应力状态变化情况的分析，可知最大应力和位移值均出现于双洞近接施工段(相切段)，且主洞三次扩挖产生的平均拉、压应力值均大于扩挖洞。
近接段匝道和主洞周边应力、位移在0～3.5倍匝道等代圆半径内变化明显，且近接段隧道跨度越大则受到的影响越大，应力、位移值变化量大，但是小跨度隧道周边围岩应力条件较复杂，匝道和主洞隧道垂直位移随净距的增大而逐渐减小，主洞周边各点水平位移相对均一，表明主洞呈整体位移趋势且水平位置明显大于匝道，但总体上讲匝道和主洞均呈现向开挖内空收敛变形的趋势。
(5)在了解横龙山岩体结构性质和力学性状的前提下，采用ANSYS有限元软件进行了喇叭口侧向层层扩挖和非对称近接断面匝道隧道围岩变化特征的研究，认为喇叭口扩挖隧道开挖后围岩发生应力重分布，由于隧道断面的形态，导致隧洞边墙、拱顶和拐点出出现应力集中现象，边墙及拱腰附近出现较大的拉应力，整个隧道扩挖时围岩受力状态以拉应力为主。单侧层层扩挖方式有效减少了隧道拱顶的垂直位移，且垂直和水平位移随着单次扩挖增量不大，避免了因断面突然增大而带来的应力和位移的突变，在围岩条件很好的情况下更有利于整个施工的顺利进行。
非对称匝道近接段由于匝道的近接施工使得先行开挖的主洞区围岩变形量大，主洞承受的应力和位移量均大于匝道，但匝道侧围岩应力组合不利于匝道的稳定，施工时应提醒注意。从匝道隧道中夹岩柱的变形特征看，匝道开挖后对主洞和匝道处岩柱的急剧影响带大约在Z(纵向)-20.5m处，较大影响带大约在Z(纵向)-57.3m处，此时的岩柱宽度分别为6.0m和16.3m，塑性区主要是受拉和受剪产生的应力屈服现象，在Z(纵向)0～-8.628m处岩柱中点塑性区值相同、两侧对称，表明该范围内属于塑性贯通区，此时岩柱最大厚度为1.8m，即可以认为岩柱几乎无任何自稳能力，需要在此段匝道开挖前及时采取支护措施。
(6)特征监测点表明，即隧道跨度越大则受到的影响越大，匝道周边围岩应力条件差，周边还存在一定的偏压现象，所承受的应力组合不利于围岩的稳定。通过将有限元法与Schwarz交替法的结果进行对比发现，所得围岩应力值相差较小，对围岩应力变化规律分析较为一致。
(7)基于解析法和有限元法的计算结果，结合现行规范和其他学者的研究成果，提出了判定非对称近接隧道特征的标准，明确了深圳横龙山隧道匝道段的隧道特征，并利用横龙山隧道工程第1～4区围岩物理力学参数得出了适合Ⅱ～Ⅴ级围岩隧道间净距的建议值。研究表明：由于非对称隧道受力和变形状态十分复杂，完全按照断面的跨度进行分析难免无法反映隧道断面高跨比等空间上的实际形态，且在进行判定时相对保守，因此以匝道(非对称隧洞中等代半径较小的断面)等代圆半径的倍数作为基准，既可以考虑隧道断面空间形态，同时也具有一定的安全性；非对称双洞近接隧道特征的判定标准为：①将塑性区连通作为连拱式隧道的判定标准；②对于小净距隧道与分离式隧道的评判是以中夹岩柱应力、位移的影响程度，即当岩柱围岩不受隧道净距影响时为标准。深圳横龙山隧道中夹岩柱净距在1.8m范围内时为连拱式隧道，1.8～16.66m(即匝道等代圆半径的3.5倍)范围内为小净距隧道，大于16.66m后为分离式隧道。对于Ⅱ级围岩来说，当净距为2.5 R时、Ⅲ级围岩为3.5R时、Ⅳ级围岩为4.0R时、Ⅴ级围岩为5.0R时为分离式隧道双洞间的最小净距。
本文的创新点主要有：
(1)通过复变函数理论和等代圆简化方法将隧道喇叭口侧向分步扩挖和非对称近接施工问题转换成无限平板下双连通问题进行理论分析，推导出具体的复应力函数表达式；对喇叭口扩挖段采取主洞直径不变、扩挖洞直径变化(一工况)和主洞直径变化、扩挖洞直径不变(二工况)这两种工况分析围岩应力、位移变化特征，同时分析了近接段不同净距情况下的围岩变形特征。
(2)通过对深圳横龙山匝道隧道所处的工程地质条件和围岩从宏观到微观结构特征的分析，在判断岩体物理力学性质的基础上，建立工程地质模型进行异形大断面喇叭口扩挖和非对称断面匝道隧道工程地质数值模拟，并将结果与理论解析和实际开挖结果进行对比分析，得出匝道隧道围岩变形及力学特征。
(3)基于解析和数值法对隧道围岩变形特征的分析，确定深圳横龙山匝道隧道特征并提出不同围岩下非对称匝道隧道近接类型(连拱隧道、小净距隧道、分离式隧道)的判定标准及建议值。
本文立足于科学前沿，紧密结合工程实践，综合运用随机理论、复变函数、弹塑性力学、数值计算、现场测试等工具和先进手段，对深圳横龙山隧道岩体结构特征、匝道隧道大断面和非对称断面层层扩挖及近接施工时围岩变形特征进行了深入研究。由于目前国内外有关该类型隧道的研究还不多，设计和施工中无规范可循，可供借鉴的施工经验较少。因此为获得有关匝道隧道施工过程中围岩变形的力学特征，并提供可以用来评定隧道围岩稳定和选择支护体系的重要资料和数据，有必要对隧道的开挖和支护过程进行研究，认识匝道隧道在施工过程中围岩的应力应变分布规律及位移表现特点，研究匝道隧道施工过程中围岩的受力状态，从而为匝道隧道的设计和施工提供科学依据和技术指导，具有较为重要的理论和工程实用价值。