硐室围岩开挖与支护过程中的力学机理与数值模拟研究

摘要

随着交通基础设施的不断发展，各大城市的地铁、轻轨、公路和铁路隧道等工程建设不断涌现，极大地为人类出行提供了便利，另外，煤炭、石油等资源的利用，极大地带动了地区经济发展。现在，虽然岩石硐室已经大量开挖，其开挖和支护实践已经非常丰富，然而理论研究却相对滞后。现阶段地下硐室围岩理论研究主要基于开挖后，然而在高地应力、软岩硐室开挖过程中，开挖可能尚未完成就出现局部位移过大、岩石从硐壁脱落甚至硐室坍塌的状况。造成这种情况的原因在于，一方面，施工设计对策出现问题，对开挖过程的围岩位移估计不足;另一方面，很多硐室提供支护阻力不足，凭现场经验进行支护，然而缺乏理论支撑，部分区域可能地应力较大或围岩较软弱，造成支护结构局部变形以及经济损失。
　　基于此，本文在前人研究的基础之上，针对硐室开挖过程中围岩峰后的变形破坏特征，借鉴前人开挖后的围岩支护理论，基于Mohr-Coulomb屈服准则，考虑了软岩剪胀、软化的特性以及空间、锚固效应，得到了围岩从开挖到支护整个过程中弹塑性理论，并对围岩支护结构锚杆和衬砌的结构内力进行理论探讨，评估支护结构的安全性。通过数值软件ABAQUS对围岩开挖和支护过程数值模拟，首先，考察围岩在开挖前，开挖过程中及开挖后的围岩应力、位移和塑性区范围变化情况;然后在开挖过程中添加锚杆、衬砌进行支护，比较两种情况下围岩应力、位移和塑性区范围，最后，对锚杆、衬砌支护结构进行模拟，得到模拟情况下的结构内力情况，进一步验证本文二、三章理论的正确性。
　　本文以芦岭煤矿Ⅲ—采区石门巷道开挖为例，分析其在开挖-支护过程中的弹塑性理论解，并与该实例的数值模拟结果和现场实测情况进行对比，验证本文地下硐室围岩开挖-支护过程中理论的适用性;另外，对原方案进行改进，缩短开挖面与支护面的距离，并从理论角度预测了采用改进方案后的应力和位移，进一步保障了该巷道开挖与支护过程中的安全，为地下硐室开挖-支护设计提供了一定的理论依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 选题的意义

1．2 前人研究成果

1．2．1 开挖后围岩弹塑性理论

1．2．2 国内外围岩数值模拟、支护力学现状

1．3 研究内容及路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究路线

1．4 本章小结

2 硐室从开挖到支护过程中的围岩弹塑性分析

2．1 Mohr-Coulomb屈服准则

2．2 围岩开挖-支护过程弹塑性分析

2．2．1 硐室围岩力学模型

2．2．2 初始支护承载力

2．2．3 锚杆力学分析

2．2．4 岩体特性模型

2．2．5 围岩应力和位移

2．2．6 塑性软化区和残余区半径

2．3 实例分析

2．3．1 空间效应和锚固效应对隧洞围岩应力、位移的影响

2．3．2 围岩特性和支护阻力对隧洞周边位移的影响

2．4 本章小结

3 锚杆与衬砌结构安全性评价

3．1 关于锚杆安全性理论计算

3．1．1 锚杆问题描述

3．1．2 锚杆轴力计算

3．1．3 锚杆剪应力计算

3．1．4 算例分析

3．2 衬砌理论探讨

3．2．1 计算思路

3．2．2 围岩抗力系数K的确定

3．2．3 衬砌混凝土喷层的力学模型

3．2．4算例及参数分析

3．3 本章小结

4 硐室从开挖到支护过程中的数值模拟分析

4．1 ABAQUS的简介及适用性

4．1．1 ABAQUS的简介

4．1．2 ABAQUS的适用性介绍

4．2 ABAQUS关键模拟技术

4．2．1 地应力平衡技术

4．2．2 生死单元技术

4．3 有限单元法的基本原理

4．3．1 基本方程

4．3．2 屈服准则

4．3．3 模型设计

4．4 数值模拟结果

4．4．1 硐室开挖过程中应力位移对比

4．4．2 硐室开挖-支护过程中的围岩位移对比

4．4．3 支护结构应力分析

4．5 本章小结

5 工程实例计算及分析

5．1 地下硐室工程概况简述

5．2 围岩支护参数

5．3 该实例围岩理论计算过程

5．3．1 力学模型的建立

5．3．2 非均匀应力场下围岩弹性解

5．3．3 计算结果与数值模拟、现场实测进行对比

5．4 原方案的改进

5．4．1 原方案的问题

5．4．2 原方案改进理论探讨

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 不足与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间科研成果