深埋大断面隧道施工力学性态研究

摘要

本论文结合国家自然科学基金重点项目“隧道与地下空间工程结构物的稳定性与可靠性”与重庆市科技攻关项目“大跨度隧道修建关键技术研究及示范工程”，采用理论分析、相似材料模拟实验、数值模拟和现场试验等手段，对深埋大断面隧道施工力学性态相关问题进行了研究。论文主要研究工作包括： 论文探索性地给出了深埋隧道的合理深度范围，系统地论述了隧道施工力学理论和大断面隧道施工方法的研究现状，详细分析了岩体中初始地应力场分布规律和大断面隧道的基本力学特性。 结合典型示范工程，在室内做了隧道围岩的岩石力学参数测试，针对示范工程隧道的围岩力学性质进行了大量的相似材料配比实验，利用中科院武汉岩土所大型岩土工程模拟试验系统，对大断面隧道开挖过程进行了相似材料模拟实验，得到了深埋高地应力大断面隧道施工围岩二次应力场的分布规律及围岩破坏特征。 对深埋大断面隧道在全断面法、上下台阶两分部法、上下台阶三分部法、左右两分部法和左右四分部法施工时的力学性态进行了数值模拟，分析了毛洞开挖、锚喷初支时隧道施工各阶段的应力场、应变场、位移场、锚喷力学性态的动态变化规律，得出了适合示范工程所研究围岩地段的合理施工方法。 隧道围岩失稳往往是隧道开挖卸荷导致围岩主应力差增大，引起某些方向裂纹开裂、扩展，围岩损伤逐渐积累并造成围岩局部甚至整体破坏的过程。本文基于隧道开挖围岩损伤演化方程，采用数值模拟计算结果，得到了深埋大断面隧道全断面毛洞开挖围岩损伤范围和特征，并与相似材料模拟实验围岩破坏特征进行了对比分析。 通过对隧道围岩压力的种类、影响因素的全面分析，基于数值模拟计算，得出侧压力系数和隧道埋置深度对深埋大断面隧道围岩压力特征的影响规律。在围岩压力的计算方面，分析了深、浅埋隧道分界线的确定标准，探讨了隧道围岩压力公式本质的统一性以及经典围岩压力计算公式的适用条件，并结合示范工程对隧道开挖锚喷初支的力学性态及演化规律进行了现场试验研究。隧道开挖围岩失稳破坏可看作是一个突变的过程，本文基于深埋大断面隧道施工围岩变形实测资料，建立了隧道开挖围岩失稳的尖点突变预测模型，获得了与示范工程现场围岩稳定性相一致的判别结果。 论文取得的主要研究成果和结论如下： 1．以白乳胶、淀粉、机油、石膏、水、粉砂的混合物制作了模拟实验的相似材料，分析得出混合物中各材料含量对相似材料的力学性质影响规律，得到了满足示范工程相似材料模拟实验的相似材料配比。探索由硅橡胶、环氧树脂、正硅酸四乙脂、二丁基二月桂酸锡、汽油和粉砂的混合物模拟岩石材料，得到了易于脱模且具有较好流变性的模型材料。 2．相似材料模拟实验结果表明，深埋高地应力大断面三心拱隧道开挖后呈现拱脚、拱肩在围岩压力作用下最易发生片帮、塌方，进而引发隧道侧壁失稳、拱顶岩体冒落的破坏特征。基于围岩损伤演化方程、采用数值模拟计算结果得出的围岩损伤范围和特征，与相似材料模拟实验围岩破坏特征基本吻合。 3．数值计算结果表明，隧道的开挖分部数目及其型式与围岩性质、地应力场分布、施工工艺及其支护型式相适应，分部数过多、分部形态不合理都可能发生应力集中过大或拉伸破坏。锚喷支护能否达到预期效果不仅取决于支护参数及型式是否合理，而且与隧道施工方法直接相关。锚喷支护可以有效控制围岩位移，显著降低围岩主应变、剪应变，但同时会导致主应力增大。 4．随着侧压力系数λ的增加，深埋大断面隧道围岩竖向应力、拱顶竖向位移、初支弯矩和初支轴力均呈增大趋势，且围岩竖向应力、初支弯矩和初支轴力的计算收敛值表现为向某一定值收敛的趋势，而拱顶竖向位移随侧压力系数增加有继续增大之势。深埋大断面隧道施工围岩拱顶竖向位移对侧压力系数最为敏感，初支弯矩、初支轴力次之，围岩竖向应力敏感性最小。当λ<1时，深埋大断面三心拱隧道最先出现应力集中的部位是起拱线附近，而在λ=1时，围岩的变形比较均匀，最先发生应力集中处是在拱脚和起拱线之间，当1<λ<2，围岩最先在拱脚和拱肩处破坏。 5．根据数值计算结果及典型断面现场试验分析得出，随着深埋大断面隧道埋深的增加，隧道围岩竖向应力、拱顶竖向位移、初支弯矩和初支轴力均有所增长，但不显著，并且隧道埋深越大，增长幅度越小，在三心拱隧道拱脚和起拱线之间的应力集中越明显，最大初支弯矩出现在起拱线处。 6．现场试验分析表明，隧道初支喷层应力、锚杆轴力增长表现出与围岩变形特征相统一的三个力学阶段，且切向喷层应力普遍大于径向喷层应力，锚杆整个长度上轴力从大到小依次为锚尾、锚中、锚头。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1问题的提出

1.2国内外研究现状

1.2.1隧道施工力学理论研究

1.2.2隧道力学数值分析程序研究

1.2.3深埋大断面隧道含义及施工方法研究

1.3论文主要研究内容与技术路线

2大断面隧道岩体初始地应力分布规律及基本力学特性研究

2.1岩体中地应力的形成

2.2地应力的分布规律

2.2.1垂直应力随深度的变化

2.2.2水平应力随深度的变化

2.2.3水平和垂直应力的比值估计

2.2.4岩体地应力场的宏观类型

2.2.5初始地应力场的评价

2.3大断面隧道的基本力学特性

2.4断面型式对大断面隧道力学特性的影响

2.4.1几种常见洞室的围岩应力状态

2.4.2断面型式对隧道力学特性的影响

2.5扁平率对大断面隧道力学特性的影响

2.6仰拱对大断面隧道力学特性的影响

2.7本章小结

3深埋大断面隧道施工相似材料模拟实验研究

3.1典型示范工程概况

3.1.1工程地质概况

3.1.2隧道洞身结构设计

3.1.3隧道施工方法及支护

3.2深埋大断面隧道岩石力学参数室内试验

3.2.1力学性能测试系统

3.2.2力学参数测试结果

3.3隧道施工相似材料模拟实验

3.3.1采用的相似模拟试验系统

3.3.2模型相似关系的建立及相似比的确定

3.3.3相似材料的选择及物理力学参数测试

3.3.4隧道开挖的相似材料模拟实验及结果分析

3.4本章小结

4深埋大断面隧道施工力学性态数值模拟研究

4.1毛洞开挖不同施工方法的数值模拟

4.1.1力学模型的建立及有限元网格划分与优化

4.1.2不同施工方法开挖的围岩应力场分析

4.1.3不同施工方法开挖的围岩位移场和应变场分析

4.2锚喷初支时不同施工方法的数值模拟

4.3隧道开挖方案的优选

4.4隧道开挖围岩损伤破坏的物理模拟实验与数值模拟对比分析

4.4.1隧道开挖围岩损伤的力学机理

4.4.2隧道开挖围岩损伤本构关系

4.4.3隧道开挖围岩损伤破坏特征的物理模拟实验与数值模拟对比分析

4.5本章小结

5深埋大断面隧道围岩压力计算与施工力学性态现场试验研究

5.1围岩压力分类

5.1.1松动压力

5.1.2变形压力

5.1.3膨胀压力

5.1.4冲击压力

5.2影响围岩压力的因素

5.2.1地质因素

5.2.2工程因素

5.3侧压力系数对深埋大断面隧道围岩压力的影响

5.3.1数值建模

5.3.2数值计算及敏感性分析

5.4埋置深度对深埋大断面隧道围岩压力的影响

5.5深埋大断面隧道围岩压力计算

5.5.1隧道围岩压力计算方法

5.5.2围岩压力实例分析及围岩压力公式的适用性探讨

5.6深埋大断面隧道施工力学性态现场试验

5.6.1深埋大断面隧道施工锚喷初期支护力学性态现场试验

5.6.2基于实测资料的隧道开挖围岩突变模型研究

5.7本章小结

6结论与建议

6.1结论

6.2本论文主要特色与创新之处

6.3后续工作建议

致 谢

参考文献

附 录