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深埋软岩大变形隧道开挖松动区研究的中期报告
深埋软岩大变形隧道开挖松动区研究的中期报告
一、研究背景
现今，地道、隧道和地下工程建设层出不穷，尤其是在城市地下工程建设中越来越常见，而且知识结构繁复，就施工场地环境和工艺技术等复杂性考虑，隧道开挖时易引起土体破坏，岩体失稳或变形等问题。隧道工程的开挖和围护对周围环境和基础设施都有不可忽略的影响。隧道工程的开挖可能引起涌水、塌陷、倒塌，甚至发生严重事故。为此，在隧道工程建设中，如何避免隧道开挖松动区的发生，是一个非常关键的问题，也是本文需要重点研究的问题之一。
二、实验目的和研究方法
本次研究旨在分析深埋软岩大变形隧道开挖后引起的松动区现象，研究其中的成因，归纳主要的影响因素，并针对不同情况提出相应的处理建议，以提高隧道工程的施工质量和安全性。
本研究采用了现场实验与数值模拟相结合的方法。实验选取了某高速公路的一条实际深埋软岩大变形隧道，该隧道为双洞双线、全长2000m，设计开挖断面为9.5m×10.0m，设计开挖深度为100m。采用静载试验仪、测绘仪和其他常规测试设备，对隧道开挖的现场松动区进行细致的观察和实时监测，并收集和整合相关数据。
在研究中，使用FLAC三维有限元方法对上述软岩的隧道开挖过程进行数值模拟，并分析不同因素对隧道松动区的影响。其中，主要因素包括出挂岩体量、隧道深度、地下水、岩土体强度参数和支护形式等。通过对模拟结果的分析，找出影响松动区发生的主要因素和对应的规律，并在此基础上提出优化方案。
三、实验结果与分析
1.实验现场观测结果
首先，对现场观测到的隧道松动区进行分析，发现松动区一般存在以下特点：
（1）表面开裂：隧道开挖后，隧道周围出现了明显的表面开裂，并且越来越严重，有的甚至形成了严重的塌方。
（2）地下水涌入：出现的松动区域一般是与水源直接相关的，隧道一旦进入地下水层，出露于隧道两侧的地面上就会出现水迹，并随着时间的推移，水迹越来越明显。
（3）岩块剥脱：岩层中的破碎岩块和母岩块会随着时间的推移逐渐剥脱出来，隧道开挖后，岩石中的弹性势能释放，压力转移到周围的岩石和支撑结构上，因此会引起隧道周围岩石的松动和脱落。
2.数值模拟结果
在本次实验中，我们设计了15种不同的隧道施工方案，对隧道松动区发生的影响进行了分析比较。我们发现，在隧道开挖中，所采取的“开挖-支护-开挖”的循环施工方式能够有效的避免松动区域的发生。此外，在隧道进入软岩地层时，应加强隧道支护措施，采用更严格的管控方案，以降低隧道松动区发生的概率。
根据计算结果，我们还发现以下几点规律和结论：
（1）对于相同的隧道断面，隧道开挖深度越大，松动区发生的可能性越大;
（2）对于相同的隧道开挖深度，当支护形式改变时，岩石和土体的应力分布情况也会改变，影响隧道松动区的发生;
（3）对于相同的断面和支护形式，隧道松动区的发生与周围土体的地质特征和力学特性内在的联系。
四、结论
本次研究中，我们通过采用实验和模拟相结合的方法，对深埋软岩大变形隧道开挖松动区问题进行了深入的研究分析，并得出以下结论：
（1）隧道开挖深度越大，松动区发生的可能性越大;
（2）支护形式和材料的改变会影响隧道松动区的发生;
（3）在隧道开挖前应加强隧道周围岩土的地质勘察，进行合理的预测和分析，并制定相应的施工方案和整体管控措施，以降低隧道松动区的发生概率。
五、建议
针对本次研究的实验结果和数值模拟结果，我们提出以下建议：
（1）在隧道开挖之前，应更加严密地进行地质和地形勘察，做好相应的隧道预处理工作;
（2）加强对软岩地层中岩体崩塌、松散和破裂的处理，在隧道开挖前充分进行加固处理;
（3）采取循环反复施工的方式进行隧道开挖和支护，促进隧道周围岩体逐步均衡承载位移和应力的变化，降低隧道松动区的发生;
（4）合理配置隧道支护材料，在设计隧道时应选用性能更好的隧道支护材料和结构材料，以控制和防止松动区发生。
六、总结
本次研究拟分析了深埋软岩大变形隧道开挖松动区的特征和机理，并模拟了岩土体的力学特性，发现隧道深度、支护形式和材料会影响隧道松动区的发生。因此，在隧道施工前应进行充分的地质勘察和地形勘测，同时选择合适的隧道支护材料和结构，采取循环反复施工的方式，以降低隧道松动区的发生。这些结论和建议对地下工程建设的施工质量和安全性的提高有重要的参考意义。