隧道浅埋段高压旋喷桩法地表加固技术及效果评价方法研究

摘要

随着“交通强国战略”的实施，我国高速公路建设进入发展快车道，这对于复杂地质条件下的公路隧道建设提出了更高的要求。软弱浅埋段作为隧道建设的重难点，在暗挖通过时极易出现掌子面坍塌、涌水等事故，高压旋喷桩加固技术能够有效对隧道浅埋段围岩进行加固，但是目前对隧道浅埋段高压旋喷桩法地表加固机理尚不清楚，对浅埋段加固后的加固效果尚无完善合理的评价体系。　　论文依托交通运输部国家级的重点科技项目《长大隧道软弱浅埋段高压旋喷桩法地表加固关键技术及效果评价研究》(项目编号：2019-MS1-017)，采用理论分析、现场试验、现场监测及数值计算等研究方法，对其加固机理、施工关键参数、设计方法、效果检测方法进行深入研究，建立了一套基于模糊－层次综合评判法(FAHP)的隧道浅埋段高压旋喷桩法地表加固技术的效果综合评价方法。论文所做工作及取得的主要成果如下：　　(1)结合旋喷桩成桩机理和力学理论分析，提出了高压旋喷桩法对浅埋段围岩加固的微观、宏观以及整体加固机理。微观加固机理为：高压浆液对围岩的切割搅拌作用和高压浆液对围岩的挤压渗透作用，基于圆孔扩张理论给出挤压区域的应力位移场公式；宏观加固机理为：竖向布桩下，围岩压力通过高压旋喷桩转移到基岩中，在隧道浅埋段暗挖过程中形成土拱，充分发挥加固后围岩的自稳能力，起到加固围岩的作用；斜向布桩下，桩体相当于一端固接的悬臂梁，对围岩起到悬挑作用，承担大部分围岩压力，减小支护结构受力；整体加固机理，包括三个方面：围岩强度的提高、围岩渗透性的降低、围岩受力模式的改善。　　(2)通过数值模拟研究，设置三种不同竖向布桩间距工况，分析不同工况下桩体和围岩的应力位移规律。研究表明：桩间距越小，拱顶、地表沉降和边墙收敛值越小；边桩应力远大于中间桩的应力；中间桩的竖向位移远大于边桩位移。设置竖向布桩与斜向布桩两种布桩方式，分析不同布桩形式下桩体和围岩的应力位移规律，研究表明：斜向布桩形式下桩体轴力较大，桩体承载力得到充分发挥；在同等加固效果下，斜向布桩的工程量较竖向工程量大大降低。　　(3)通过关键技术参数现场试验对高压旋喷桩法施工关键参数进行研究，研究表明：浆液压力越大，桩体的强度越高；桩体提升速度越小，桩体的强度越高；旋转速度对桩体强度的影响并不明显；不同地层中桩体强度从大到小依次为：砂卵石地层＞全风化变质砂岩地层＞粉质黏土层；建议关键技术参数值为：浆液压力22~24MPa、提升速度18cm/min左右、旋转速度15r/min左右。　　(4)通过不同布桩间距现场试验研究相离、相交、相切三种布桩间距对桩间土渗透性和强度的影响。研究表明：桩间距越小，桩间土透水率越小，桩间土强度提高率越大；对有防渗要求的隧道浅埋段高压旋喷桩法地表加固工程，建议采用相切的布桩间距。　　(5)选取围岩强度提高、围岩整体性提高、围岩渗透性的降低作为准则层，桩体芯样抗压强度、桩间土抗剪强度提高率、桩间土声波波速提高率等七个指标作为指标层，构建了一套基于模糊－层次综合评判法(FAHP)的隧道浅埋段高压旋喷桩法地表加固技术的效果综合评价体系。　　(6)新屋隧道浅埋段洞内外现场监测表明：地表加固后洞内支护结构受力大幅降低，最大围岩压力仅为56kPa，与理论计算值相比降低63%；地表沉降值和隧道洞内收敛值均满足规范要求，地表沉降最大值为5cm，拱顶沉降最终沉降值稳定在4.3cm，左右拱腰的收敛值稳定于3.2cm；围岩孔隙水压力大幅降低，加固后拱顶围岩孔隙水压力仅为3kPa、地下水位由地表以下2m降低至5.5m左右，验证了高压旋喷桩地表加固技术的可行性和加固效果。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 隧道软弱浅埋段高压旋喷桩加固工法研究现状

1.2.2 隧道高压旋喷桩法地表加固机理研究现状

1.2.3隧道高压旋喷桩法地表加固设计及现场试验研究现状

1.2.4 隧道高压旋喷桩法地表加固效果检测方法及评价体系研究现状

1.2.5 目前研究不足

1.3 主要研究内容与技术路线

1.3.1 研究内容及思路

1.3.2 技术路线

第二章 依托工程概况

2.1工程概况

2.1.1 地形地貌

2.1.2 地层岩性

2.1.3 水文地质条件

2.2 新屋隧道浅埋段加固方案及隧道开挖支护参数

2.3 小结

第三章 隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固机理分析

3.1 高压旋喷桩法对地层的微观加固机理

3.1.1 高压浆液喷射流的构造

3.1.2 高压浆液喷射流与土体的作用

3.2 高压旋喷桩法对地层的宏观加固机理

3.2.1 竖向布桩加固机理分析

3.2.2 斜向布桩加固机理分析

3.3 隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固数值模拟研究

3.3.1 数值模拟软件的选取与介绍

3.3.2 工程概况

3.3.3 计算模型

3.3.4 不同布桩间距对加固效果的影响分析

3.4.5 不同布桩形式对加固效果的影响分析

3.4 小结

第四章 隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固现场试验

4.1高压旋喷桩法地表加固现场试验概述

4.1.1 现场试验目的

4.1.2 现场试验内容

4.2 高压旋喷桩法地表加固现场试验方案设计

4.2.1 高压旋喷桩施工参数试验方案设计

4.2.2 高压旋喷桩布桩间距试验方案设计

4.3 高压旋喷桩法地表加固现场试验的实施

4.3.1 试验区场地选取

4.3.2 高压旋喷桩现场试验施工流程

4.4 高压旋喷桩法地表加固现场试验检测方案

4.4.1 原位压水试验实施方案

4.4.2 原位声波测试实施方案

4.4.3 室内试验

4.5 小结

第五章 隧道浅埋段高压旋喷桩现场试验结果分析

5.1 加固前岩土体的工程性质分析

5.1.1 加固前围岩基本物理力学性质分析

5.1.2 加固前岩土体剪切强度分析

5.1.3 加固前岩土体透水性分析

5.1.4 加固前岩土体声波波速分析

5.2 高压旋喷桩法施工参数试验分析

5.2.1 不同旋喷参数对桩体强度的影响分析

5.2.2 不同土层对桩体强度的影响分析

5.3 高压旋喷桩布桩间距试验分析

5.3.1 不同桩间距对桩间土声波波速的影响分析

5.3.2 不同桩间距对桩间土抗剪强度影响分析

5.3.3 不同桩间距对桩间土透水率的影响分析

5.4 小结

第六章 隧道浅埋段高压旋喷桩法地表加固效果的综合评价方法研究

6.1 FAHP理论基础及实现步骤

6.1.1 FAHP理论基础

6.1.2 FAHP实现步骤

6.2新屋隧道浅埋段高压旋喷桩法地表加固效果评判

6.2.1高压旋喷桩法加固效果评判工程单元

6.2.2高压旋喷桩法地表加固效果层次结构评判模型

6.2.3高压旋喷桩法地表加固质量指标体系权重确定

6.2.4高压旋喷桩法地表加固效果的模糊综合评判

6.3 小结

第七章 隧道浅埋段高压旋喷桩地表加固效果的现场监测分析

7.1 新屋隧道浅埋段监测工作目的及内容

7.2 监测仪器布置及安装

7.2.1 浅埋段地表位移计布置及安装

7.2.2 围岩孔隙水压力计布置及安装

7.2.3 初支与围岩接触压力计布置及安装

7.2.4 钢拱架应变计布置及安装

7.3 监测数据及成果分析

7.3.1 隧道浅埋段地表沉降分析

7.3.2 围岩孔隙水压力分析

7.3 3 初支与围岩接触压力分析

7.3.4 钢拱架应力分析

7.3.5 隧道洞内拱顶沉降及边墙收敛分析

7.4 小结

结 论

展 望

致 谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目

参考文献