基于非线性破坏准则的盾构隧道开挖面安全系数上限分析

摘要

随着我国城市化进程的加速，交通拥堵、建设用地紧张和大气污染等一系列“城市病”成为各大型城市在可持续发展中遇到的难题。在众多解决方案中，地铁以其快速、安全、运量大且不占用地面空间的优点，成为缓解城市交通拥堵问题的首要选择。目前，盾构法是大多数地铁区间隧道的主要施工方法，在盾构机的掘进过程中，开挖面失稳破坏将会导致地表塌陷威胁地面建筑及隧道自身的安全。针对上述情况，本文采用Hoek-Brown非线性破坏准则并结合极限分析上限理论提出了盾构隧道开挖面安全系数的计算方法，可以为浅埋破碎岩体中盾构隧道开挖面稳定性评估提供依据。主要研究内容如下: (1)根据盾构隧道在浅埋破碎岩体中掘进时开挖面的塌落破坏特征，采用空间离散技术以“点对点”的方式生成了盾构隧道开挖面上限破坏机制; (2)针对破碎围岩的非线性力学特征，将Hoek-Brown破坏准则引入上限分析的能耗计算中，通过计算上限速度场中的外力功率和内能耗散功率，构建了盾构隧道开挖面安全系数的上限目标函数，利用非线性规划方法对该目标函数进行优化求解，得到了安全系数的上限解和极限状态下的开挖面破坏模式; (3)采用敏感性分析方法，分析了不同参数对开挖面安全系数的影响，通过对比各参数的敏感度因子，得到了对开挖面安全系数影响最大的参数; (4)采用数值模拟技术对盾构隧道的掘进过程进行模拟，得到了Hoek-Brown破坏准则作用下开挖面安全系数的数值解，将相同参数下安全系数上限解与数值解进行对比，验证了理论计算的正确性; (5)以长沙地铁二号线某区间隧道为工程背景，基于盾构机实测土舱压力和围岩参数计算了该区间隧道开挖面安全系数的上限解和数值解，利用工程实例验证了本文方法的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1理论分析法

1．2．2模型试验法

1．2．3数值模拟法

1．2．4基于强度折减法的安全系数计算

1．3本文的研究内容

第二章Hoek-Brown强度破坏准则及极限分析上限理论

2．1引言

2．2非线性Hoek-Brown破坏准则

2．3极限分析理论

2．3．1静力许可应力场和机动许可速度场

2．3．2虚功率原理及塑性最大功率原理

2．3．3极限分析上、下限定理

2．4本章小结

第三章基于Hoek-Brown破坏准则的盾构隧道开挖面安全系数上限研究

3．1引言

3．2盾构隧道开挖面安全系数上限计算

3．2．1盾构隧道开挖面上限破坏机制

3．2．2 H-B和M-C破坏准则参数的等效转换

3．2．3基于上限定理的隧道开挖面安全系数

3．3各参数对开挖面安全系数的影响

3．3．1支护力σT对安全系数及隧道开挖面前方围岩塌落范围的影响

3．3．2土体重度γ对安全系数及隧道开挖面前方围岩塌落范围的影响

3．3．3mi对安全系数及隧道开挖面前方围岩塌落范围的影响

3．3．4 GSI对安全系数及隧道开挖面前方围岩塌落范围的影响

3．3．5扰动因子D对安全系数及隧道开挖面前方围岩塌落范围的影响

3．3．6隧道直径d对安全系数及隧道开挖面前方围岩塌落范围的影响

3．3．7σci对安全系数及隧道开挖面前方围岩塌落范围的影响

3．4盾构隧道开挖面安全系数数值模拟

3．4．1 FLAC软件简介

3．4．2建立模型

3．4．3数值计算过程

3．5结果分析

3．5．1网格密度对数值模拟结果的影响

3．5．2破坏模式对比

3．5．3安全系数上限解与数值解对比

3．6本章小结

第四章盾构隧道开挖面安全系数上限分析中各参数敏感性分析

4．1引言

4．2敏感性分析基本原理

4．3各影响因素对安全系数上限解的敏感性分析

4．3．2土体重度γ的敏感性分析

4．3．3 mi的敏感性分析

4．3．4地质强度指标GSI的敏感性分析

4．3．5扰动因子D的敏感性分析

4．3．6盾构隧道直径d的敏感性分析

4．3．7岩体单轴抗压强度σci的敏感性分析

4．4各参数的敏感性综合分析

4．5本章小结

第五章工程应用分析

5．1工程概况

5．1．1地形地貌

5．1．2工程地质

5．2开挖面安全系数的计算分析

5．2．1基本假设

5．2．2参数选取

5．3结果分析

5．4本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录