软弱围岩既有隧道上方挖方与填方对承载拱效应影响研究

摘要

近年来既有隧道上方挖、填方的近接工程大量涌现。在既有隧道上方挖方近接工程中，由于挖方可能导致围岩承载拱的破坏，会使得衬砌与围岩的受力发生改变。在既有隧道上方填方近接工程中，填方对于隧道来说是加载过程。围岩与衬砌共同承担荷载，但承担比例受多项因素影响，且在填方过程中的承载拱内变化机制尚不明确，导致填方引起衬砌内力变化难以预测。因此研究既有隧道上方挖、填方过程中隧道承载拱的变化是必要的。
　　本文采用理论分析、离心模型试验和数值模拟的方法对既有隧道上方挖方对承载拱的破坏作用和填方过程中承载拱的形成和发展进行研究，同时运用应力准则和强度准则对既有隧道上方挖、填方近接施工影响进行分区。研究工作和主要成果如下:
　　以理论分析为基础，对隧道承载拱的概念进行解释，并对挖方过程中承载拱的破坏过程作出预测。在挖方起始阶段，衬砌内力和围岩压力下降;当挖方对承载拱产生破坏后，由于承载拱承载能力下降，导致承载拱承担的荷载向衬砌转移，致使围岩压力和衬砌内力随挖方减小过程中出现减缓段或反向增大段。针对既有隧道上方填方，以围岩特征曲线为基础，分析得出在深埋条件下，隧道承载拱刚度将随塑性区发展下降。推测在深埋条件下的填方工程，衬砌承担的围岩压力增量随隧道塑性变形量增大而增加。
　　离心试验得出:
　　既有隧道上方挖方围岩压力及衬砌内力变化过程与理论预测一致，围岩压力、衬砌轴力在减小过程中分别出现斜率减缓段、反向增大段。在定义了地应力承担比的基础上，以地应力承担比作为离心试验承载拱变范围判断的主要依据，得出了柔性支护条件下的承载拱范围为1.0～1.5D，刚性支护条件下承载拱范围为2.0～2.5D。
　　既有隧道上方填方的围岩压力及衬砌内力变化随填方呈近线性增加，根据拱顶地应力承担比变化反映出填方过程中承载拱的发展。因衬砌对围岩变形的限制，导致承载拱塑性区发展较少，围岩压力无法得到有效释放。在填方过程边墙及墙脚发生应力集中，刚性支护与柔性支护边墙处承担比分别增加了0.6、0.46。
　　数值模拟得出:
　　建立圆形隧道模型计算，对离心试验规律进行对比验证。
　　以高速铁路隧道断面进行建模计算，得出Ⅴ级、Ⅵ级、黄土地层的隧道上方挖、填方过程中围岩压力、地应力承担比、内力变化规律。并定义附加地应力承担比进而揭示了承载拱随填方过程的变化规律。
　　针对挖方和填方过程分别选取应力准则和强度准则进行近接分区，并根据分区结果进行回归分析，得到了分区与初始埋深变化的数学关系。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 既有隧道上方挖方研究现状

1．2．2 既有隧道上方填方研究现状

1．3 本文研究方法

1．4 技术路线

第2章 既有隧道上方挖、填方理论研究

2．1 既有隧道工程上方挖、填方一般力学原理研究

2．1．1 隧道开挖后的应力重分布

2．1．2 隧道开挖后弹性条件下的二次应力状态

2．1．3 隧道开挖后形成塑性区的二次应力状态

2．1．4 开挖后有支护的三次应力状态

2．1．5 既有隧道上方挖方分析

2．1．6 既有隧道上方填方分析

2．2 隧道承载拱效应主要影响因素

2．3 本章小结

第3章 离心模型试验

3．1 离心试验方法介绍

3．1．1 概述

3．1．2 土工离心模型试验方法的发展

3．1．3 土工离心模型试验原理

3．2 既有隧道上方挖、填方离心试验方案

3．2．1 试验设备

3．2．2 离心试验设计

3．2．3 离心试验过程

3．3 试验结果分析

3．3．1 挖方结果分析

3．3．2 填方结果分析

3．4 本章小结

第4章 既有隧道上方挖、填方数值模拟

4．1 离心试验与数值模拟对比分析

4．1．1 数值模拟模型介绍

4．1．2 既有隧道上方挖方结果分析

4．1．3 既有隧道上方填方结果分析

4．2 基于高速铁路隧道断面的数值模拟

4．3 挖方数值模拟结果分析

4．3．1 围岩压力结果分析

4．3．2 地应力承担比

4．3．3 内力结果分析

4．4 填方数值模拟结果分析

4．4．1 围岩压力结果分析

4．4．2 附加地应力承担比分析

4．4．3 内力结果分析

4．5 本章小结

第5章 既有隧道上方挖、填方近接分区

5．1 影响分区标准

5．1．1 近接施工的分区准则

5．1．2 挖方分区准则

5．1．3 填方分区准则

5．2 挖方影响分区

5．3 填方影响分区

5．4 挖、填方近接既有隧道施工对策

5．5 本章小结

结论与展望

结论

进一步研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文