基于模型试验与数值模拟的软弱围岩隧道拱顶坍塌特征分析

摘要

随着我国交通网络建设的高速发展，交通隧道的建设数量不断增加。近年来，在隧道建设过程中经常报出隧道围岩坍塌等重大事故，其中软弱围岩隧道的塌方事故较多。塌方事故不仅会影响隧道建设的工期，而且隧道一旦发生塌方事故将会对人们的生命财产安全造成巨大损失。隧道塌方的原因主要包括围岩地质状况差、施工方法不合理和没有及时对围岩的薄弱位置加强支护措施等。由于软弱围岩隧道岩质强度低，而CRD法能使隧洞快速成环。因此，为了保证隧道施工的安全，在实际工程中，对软弱围岩隧道的开挖，通常采用CRD法进行施工。但是CRD施工方法的施工工序较多，将会对隧道围岩造成多次扰动，影响隧道围岩的稳定性，严重时会造成围岩薄弱位置的塌方事故。因此，研究软弱围岩隧道在CRD法施工下的围岩受力、变形特征和稳定性很有意义。 本文首先对软弱围岩隧道塌方的破坏特征进行分析研究，然后以某Ⅴ级软弱围岩的公路隧道为工程背景，对软弱围岩隧道在CRD法施工作用下围岩的受力、变形特征和围岩的稳定性进行了深入的研究。下列是具体的研究工作和研究成果： (1)总结了隧道塌方的分类方法和影响隧道塌方主要因素，通过软弱围岩隧道的变形和受力特征对软弱围岩隧道的塌方特征进行分析，并从围岩受力和变形的角度来判断隧道围岩是否失稳。 (2)以某Ⅴ级软弱围岩公路隧道为工程背景，进行相似材料模型试验。通过相似定理和实际情况确定模型试验相似比，利用配比试验确定模型材料和模型尺寸。设计了应力传感器和FARO三维激光扫描仪的监测方案，对隧道围岩的受力和变形进行监测，并按照CRD的开挖顺序进行隧道开挖。 (3)通过对模型试验进行CRD法隧道开挖的监测，描述了隧道围岩的渐进破坏过程，并对隧道围岩的应力和变形特征进行分析，通过极限位移值、位移速率、位移加速度、时间—位移曲线对隧道围岩是否失稳进行判断。 (4)利用MIDAS/GTS软件对模型试验的隧道开挖过程进行三维数值模拟。将隧道的拱顶沉降、洞周收敛、地表沉降数值模拟结果与相似材料模型试验结果相对比，获取了隧道围岩的受力变化和变形特征，通过隧道围岩塑性区的变化来分析隧道塌方特征。

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摘 要

ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及研究意义