高速公路隧道贯通段围岩稳定性研究

摘要

隧道是交通建设的重要构筑物之一，能有效地克服地形阻碍，减少交通建设里程。面对连绵起伏的山川，隧道长度也随着增加，为减少建设年限，提高掘进效率，往往需要两个以上的掘进头同时掘进，掘进头相遇的区域就称为贯通段。隧道贯通段作为隧道建设的关键性工程，在隧道贯通期间，经常性地发生拱顶塌方或大变形现象，然而人们往往专注于事后塌方的处理措施，对于贯通段这一重点区域围岩的变形特征及变形机理认识还不够。本文从隧道施工力学及隧道掘进存在的空间效应出发，以理论分析、现场试验及数值模拟手段，较为系统地分析了贯通过程中，贯通区域拱顶围岩的变形及应力特征。最后，从掘进速度对围岩位移及应力释放的影响方面，分析了马嘴隧道左、右洞贯通时，隧道围岩变形差异的原因。
　　高速公路隧道贯通段围岩稳定性研究结果表明：
　　（1）以厚壁圆筒力学模型，分析了开挖后隧道围岩的应力、位移分布情况，推导得出了应力释放系数与塑性区半径的表达式，并以MathCAD软件做出两者关系图，塑性区深度在应力释放系数较小时，增长的趋势也比较平缓，但当应力释放系数达到一个临界值时，塑性区半径随着应力释放系数的增加呈指数增长。
　　（2）作用在支护结构上的应力，考虑应变软化影响时，支护阻力随塑性区的增加会有所增加。
　　（3）以数值模拟分析了掌子面的位移分布特征，其呈现典型的“S”型特征。
　　（4）通过现场试验得到了贯通区域围岩的拱顶位移曲线，出口侧变形符合空间效应理论。贯通时，进口侧受影响距离为15m，出口侧影响距离为30m。
　　（5）建立了贯通段三维模型，模拟结果表明，贯通后10m范围内，贯通断面处的拱顶沉降位移在两侧内最小。两侧30m范围内，进口侧断面距离贯通断面越远位移终值越小，出口侧断面距离越远位移终值却越大，两侧15m范围内受到的影响最大。
　　（6）贯通后，出口断面的塑性区深度及范围有所增加，距离贯通点越近的断面塑性区更大，该范围内围岩应力释放程度更大，符合推导的应力释放与塑性区的关系。
　　（7）掘进尺寸为2m时，出口断面围岩位移变化速率更小，应力释放程度也越小，且塑性区深度也较小，符合掘进影响的短期效应特征。不考虑水弱化、渗流和岩体弱化时，模拟结果与实测数据时相符的。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容、研究方法及技术路线

2 隧道围岩破坏机理及应力、位移分布规律

2.1 绪言

2.2 围岩变形破坏类型及机理

2.3 隧道掘进围岩应力、位移分布规律

2.4 应力释放系数、塑性区半径及支护阻力相互关系

2.5 掌子面附近围岩应力及位移分布特征

2.6 本章小结

3 贯通段围岩应力、位移分布规律

3.1 围岩应力、位移影响因素

3.2 贯通段应力、位移分布规律

3.3 掘进速度对围岩稳定的影响

3.4 本章小结

4 现场试验研究

4.1 新奥法（NATM）简介

4.2 工程概况

4.3 现场试验

4.4 断面变形量增长原因分析

4.5 本章小结

5 贯通段围岩数值模拟

5.1 前言

5.2 数值模型

5.3 数值结果分析

5.4掘进进尺对贯通段围岩而稳定的影响

5.5 本章小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：