2022年隧道底板隆起的成因 .pdf
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1、隧道底板隆起的成因、分类与控制【摘要】在工程实践的基础上,全面地分析了隧底隆起的成因、分类与控制技术途径;总结和分析了隧底隆起破坏的3 种基本外在表现形式;在对引起隧底隆起的物理、力学与结构原因分析的基础上,提出了隧底隆起分类的4 种基本形式;同时也给出了按隆起破坏力学特征分类的 4 种基本形式;总结归纳了隆起控制的一般原则,并提出了隧底隆起控制的技术途径。【关键词】隧道隆起 成因 分类 控制1 引言隧道底板隆起不仅仅造成隧底上抬变形和整体下沉,不仅恶化和危及列车运营环境,更重要的是使隧道衬砌发生变形和破坏,严重时,破坏道床并有可能导致隧道失稳,时刻危及列车运行安全。据统计,在现有 5000
2、余座铁路运营通过的隧道中,存有病害的 3000 余座,占运营隧道的 65%。其中隧道结构变形破坏的占31.8%,尤以襄渝线、湘黔线、贵昆线和成昆线的隧道结构变形事故最为严重。隧底隆起是一个极其复杂的物理、力学过程,它与隧道围岩性质、应力状态及维护方式密切相关。长期以来,对隧道底板稳定性问题的研究相对隧道工程的其他方面比较薄弱,致使对隧底降起的一些原因至今认识不清,采取措施时存在着较大的盲目性。如何针对病因,采取“对症下药”的预防和控制技术措施,以便在隧道的规划、设计、施工和运营各环节得到及时贯彻和落实,目前仍是一项亟待解决的课题。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页,共 1
3、1 页 -2 隧道底板隆起破坏的基本表现形式尽管引起隧底隆起的因素众多且机理复杂,但隧底隆起破坏的基本外在表现形式如按表象特征来分不外乎有3 种:直线型;折曲型;弧状型。其中直线型又可分均匀型和倾斜型,折曲型又可分2条破断线型和多条折线型。具体表现形式如图1 所示。图 1 隧道底板隆起破坏的基本外在表现形式3 隧道底板隆起的成因31 底板隆起的物理原因311 底板岩层的矿物成分对隆起的影响不同的地质结构及其矿物成分,其隆起膨胀的变形力学机制不同。在此仅对矿物成份进行分析。对含有蒙脱石、伊利石和伊蒙混层矿物的泥质岩类来说,其膨胀性与其矿物成分的分子结构特征关系十分密切。例如:对蒙脱石的晶体结构,
4、其最大特点是每个晶胞中四面体与八面体的数量之比为2:1,晶胞与晶胞之间以O-2接触,亲水性高;另外,遇水后其矿物颗粒之间的结合水膜也增厚,由于蒙脱石具有遇水后颗粒内部晶胞间距剧增和颗粒结构水膜加厚两种膨胀机制,故其膨胀量在粘土矿物中是最大的。据测定,Ca 蒙脱石可膨胀到原体积的 7 倍多。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页,共 11 页 -当粘粒成分为高岭石、腐植和难溶岩时,由于粘粒极小、表面积很大,粘粒表面形成很厚的水化膜吸附层,使得粘土在客观上产生膨胀。研究表明,只要粒径0.002mm,粘土矿物均能形成胶体,具有胶体膨胀机制。另外,从岩石的微结构分析,对底板岩层中含有
5、大量的结构疏松的蜂窝状及骨架状结构的软弱岩层来说,由于这类岩石的孔隙、裂隙发育,在有水时,极易促成毛细膨胀。因此,在整个毛细带内,具有使软弱岩层进一步化学膨胀和胶体膨胀的条件,从而使底板岩层产生更进一步的软化和膨胀。312 底板岩层的性质和厚度对隆起的影响底板岩层的软弱程度决定着隆起量的大小6。工程实践表明:以泥岩和砂质泥岩为主,层理发育并有小断层影响地段的隆起量要比层状灰色细砂岩地段高34 倍。但对同一岩性,底板软弱岩层的厚度决定着隆起量大小。相似材料研究表明,隆底隆起的最大破坏范围与底板的宽度成正比,随底板软弱岩层厚度的增加,隆起量将急剧增长,但当软弱岩层厚度超过隧道宽度时,隆起的增长量趋
6、于缓和。32 底板隆起的力学原因从引起隆起的力源来分析其变形力学机制,有构造应力机制;工程偏应力机制;重力机制和水力机制。其中构造应力机制导致的隆起是方向性破坏明显,破坏程度与深度无关;而重力机制是与深度有关与方向性无关。笔者为了讨论方便,把构造应力机制与重力机制作为应力状态条件来分析。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页,共 11 页 -321 应力状态对隆起的影响在应力状态引起的隆起研究中,当前存在两种观点:一种认为隆起是垂直应力过大引起;而另一种,则认为是水平应力过大引起。大量的相似材料研究结果表明:水平应力和垂直应力均有可能产生隆起,仅是不同的应力状态对隆起的形态和
7、底板的岩体的破坏范围有不同的影响而已6。如对地质条件完全相同的底板软弱破碎岩体,施加不同的荷载比值(V:H=1:2,1:1,2:1),则可能发生以下3 种状态:(1)当垂直应力大于水平应力时,隆起呈挤压流动型,底板的破坏范围为正梯形,在基角处的岩体发生了严重破坏;(2)而当水平应力大于垂直应力时,隆起的形成既有挤压流动又能挠曲褶皱,底板的破坏范围为倒梯形或倒三角状,基角处的岩体基本上没有发生破坏;(3)当为静水压力时,其隆起的形状和底板岩体的破坏范围介于上述两种应力状态之间。利用有限元计算不同应力状态下(V:H=3:1,2:1,1:1,1:2)的结果与相似材料模拟比较吻合。即当水平应力大于垂直
8、应力时,其顶底板破坏较严重,而两侧墙相对较轻微;但当垂直应力大于水平应力时,上述结论正相反。另一方面,在静水压力状态,其隧道的基角处也显示了较高的应力,表明基角处易发生破坏。322 工程偏应力对隆起的影响工程偏应力是由隧道开挖所引起,它导致岩层扩容膨胀。工程偏名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页,共 11 页 -应力与隧道断面、形状有关。一般非圆形隧道要较圆形大,开挖断面越大,偏应力越大,所引起的扩容变形也越大。323 水理作用对隆起的影响水的存在使得隧底隆起更加严重。由于水理作用产生的影响,主要表现在以下 3 个方面:(1)岩石浸水后使围岩强度降低,从而使底板更易产生破坏
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