基于大型机械施工的双线高铁隧道围岩稳定性分析及支护优化研究

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铁路隧道建设迅猛发展,机械化工程建设及隧道施工技术水平将逐步迈向一个新高度,隧道施工方式朝着机械化、信息化、智能化方向转变。对于双线高铁超大断面隧道,传统上一般采用分部方式进行开挖,但此方法开挖工作面狭小、施工转换工序较多、大型施工机械难以施展身手,导致开挖效率不高,工程进度相对缓慢。近年来,随着铁路隧道建设的不断发展,双线高铁隧道机械化全断面施工方式应运而生。显然,在一次性开挖面积较大的情况下,围岩稳定性的分析以及支护参数的合理选择显得十分重要。鉴于此,本文以黄黄铁路刘元隧道工程为研究背景,综合运用室内试验、现场测试、数值计算和监控量测等分析研究手段,对双线高铁隧道机械化全断面施工后的围岩稳定性进行分析,并针对典型施工里程段进行支护参数优化。主要研究内容及研究成果如下:(1)基于强度折减法,对BQ法围岩分级进行了修正,将覆跨比作为围岩分级影响因素,引入隧道围岩分级覆跨比修正系数K4,提出双线高铁隧道100m埋深以下,机械化全断面开挖的覆跨比修正系数K4取值表,并将其应用于依托工程IV级围岩段,验证本文提出的覆跨比修正[BQ]H/B法围岩分级的合理性,取得较好效果。(2)考虑围岩自承能力,以隧道拱顶上方主应力迹线偏转作为压力拱形成的标志,针对双线高铁隧道(开挖跨度14.7m)深浅埋划分开展数值模拟研究,得出双线铁路隧道不同围岩下的临界埋深。(3)基于室内常规三轴压缩试验确定依托工程石英片岩地层力学参数,以安全系数为依据对双线高铁隧道机械化全断面施工围岩的稳定性进行评价,计算得出支护后围岩的安全系数相较于毛洞隧道由2.02提高到2.55,增幅为26.24%。(4)采用数值模拟的方法,依托实际工程,对双线高铁隧道机械化全断面施工时初期支护参数进行优化研究。结果表明:在满足安全性前提下,在隧道埋深30m、全断面开挖进尺4m时,最优支护参数为初支喷射C30混凝土20cm,I18钢拱架纵向布置间距2.0m,锚杆长4.5m,环向×纵向间距1.0×2.0m,对现场施工起到指导意义。
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