炭质板岩隧道围岩变形特性与支护参数研究

摘要

本文以铁三院科技项目“长昆客专炭质板岩隧道地层变形机理及变形控制措施研究”为依托，长沙至玉屏段雪峰山3号隧道为工程背景，针对炭质板岩各向异性特性以及岩层倾角对隧道围岩稳定性的影响问题，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，对不同岩层倾角下炭质板岩隧道围岩变形特性与支护受力特征开展了系统研究，主要的研究工作如下:
　　 (1)在分析板岩的力学特性、层理性结构以及围岩大变形的影响因素的基础上，结合雪峰山工程地质特点，预测了雪峰山3号隧道主要以挤出大变形为主，大变形等级为Ⅰ级。
　　 (2)采用复变函数解析方法推导了单向压缩开孔板在一般坐标系中的应力分布方程，结合地下洞室周围应力边界条件，分析了地下洞室周围应力分布状态，得到了各向异性围岩洞室周围应力分布规律;
　　 (3)采用数值模拟方法对均质岩体、层状岩体以及不同岩层倾角炭质板岩隧道围岩应力、变形以及塑性区分布进行了研究，分析结果表明软弱结构面对隧道围岩的稳定性影响明显，隧道围岩变形量均超出规定预留变形量，隧道会产生大变形;岩层倾角30°时，洞周变形量最大，岩层倾角90°时，洞周变形量最小，同时确定三台阶七步工法更经济高效。
　　 (4)通过对不同岩层倾角下炭质板岩隧道初期支护参数、加固圈厚度的支护效应进行分析，结果显示增加喷层和加固圈厚度均可有效控制隧道围岩变形，但不能有效改善支护系统受力状态。最终确定了最佳初期支护厚度为400mm，加固圈厚度为3m，满足安全标准。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 围岩大变形研究现状

1．2．1 大变形的定义

1．2．2 大变形的产生机制

1．2．3 大变形的变形预测

1．3 层状岩体研究现状

1．3．1 理论研究

1．3．2 室内试验

1．3．3 数值分析

1．4 本文的主要研究内容

第二章 炭质板岩隧道力学特性与变形机理分析

2．1 板岩的力学特性

2．1．1 板岩的结构特点

2．1．2 板岩的强度

2．1．3 板岩的变形特性

2．2 板岩洞室大变形的机理研究

2．2．1 围岩大变形的原因

2．2．2 板岩隧道的变形机理

2．2．3 层状岩层围岩隧道的失稳机理

2．3 炭质板岩隧道围岩变形机制分析

2．3．1 工程概况

2．3．2 雪峰山3号隧道产生大变形的客观条件

2．3．3 雪峰山3号隧道大变形的产生机制预测

2．4 本章小结

第三章 炭质板岩隧道围岩应力分布规律的理论研究

3．1 正轴坐标系及偏轴坐标系下本构方程

3．1．1 正轴坐标系下本构方程

3．1．2 偏轴坐标系下本构方程

3．2 平面应变问题

3．2．1 平面应变问题的本构方程

3．2．2 平面问题解法

3．3 中间开圆孔单向压缩板的应力场分布

3．4 地下洞室应力场分布

3．5 计算实例

3．6 结论

第四章 不同倾角条件下炭质板岩隧道开挖方法研究

4．1 大断面隧道开挖方法探讨

4．1．1 大断面隧道开挖方法的比较

4．1．2 三台阶七步开挖法和CD法简介

4．1．3 炭质板岩隧道开挖方法的比选

4．2 计算模型与计算参数

4．2．1 计算软件

4．2．2 计算工况

4．2．3 计算模型与计算参数

4．3 施工过程模拟步骤

4．3．1 三台阶七步工法施工模拟步骤

4．3．2 CD法施工模拟步骤

4．4 计算结果分析

4．4．1 均质岩体与层状岩体计算结果对比分析

4．4．2 层状岩体不同倾角下计算结果分析

4．5 本章小结

第五章 不同倾角下隧道围岩大变形的支护参数研究

5．1 软弱围岩变形控制标准

5．2 计算模型及计算方案

5．2．1 计算模型

5．2．2 计算参数

5．2．3 计算方案

5．3 初期支护效应分析

5．3．1 计算工况

5．3．2 计算结果分析

5．4 围岩加固圈厚度分析

5．4．1 计算工况

5．4．2 计算结果分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及科研情况