昔格达地层隧道围岩压力拱效应研究

摘要

河湖相沉积的昔格达地层是一种主要分布于我国西南地区谷地的半岩半土的特殊地层，具有低强度、低承载力、高水敏感性等软弱地层特性。昔格达地层隧道修建过程中出现的诸如初支变形开裂、拱部塌方、地表塌陷等工程灾害已成为阻碍工程安全建设的重点问题。目前对于昔格达地层隧道开挖后围岩失稳特征及其自承载能力尚不明确，特别是不同含水率的围岩稳定状态与失稳区域边界有待探究。鉴于上述问题，本文依托成昆铁路复线昔格达地层隧道，拟通过室内试验、理论分析以及数值模拟手段从围岩应力场变化角度，对隧道围岩压力拱体进行判释，探明昔格达地层隧道压力拱分布形态，分析昔格达地层隧道随含水率变化下压力拱的应力特征及发展演化规律，以期为昔格达地层隧道荷载确定与支护设计提供理论参考。主要内容如下：　　(1)基于压力拱的相关概念，分析现有的压力拱边界划分方法在洞周不同路径上的适用性。以满足压力拱物理意义为基本原则，确定压力拱边界判断准则，为后续压力拱拱体的确定提供理论基础。　　(2)开展昔格达地层隧道压力拱效应模型试验相似材料与试验装置的研制，对试验过程中的围岩失稳形态与应力变化进行记录。通过对围岩塌落过程的分析，了解围岩失稳演化特征。结合应力监测结果，探究塌落拱与压力拱的动态变化关系。　　(3)基于昔格达地层隧道围岩物理力学性质，采用离散元软件对围岩细观参数进行标定。通过建立三维数值模型，开展不同含水率昔格达地层隧道开挖模拟。利用压力拱边界判断准则，得到施工阶段围岩压力拱的动态发展规律与最终形态，以此探究昔格达地层隧道围岩压力拱效应及其变化特征。　　(4)基于昔格达地层隧道围岩压力拱效应，拟合得到隧道深浅埋分界埋深计算公式。对深埋隧道围岩荷载计算理论进行分析，采用不同计算理论得到深埋昔格达地层隧道围岩荷载等效高度，通过对计算结果的比较分析，结合工程实际确定不同含水率昔格达地层隧道围岩荷载计算理论。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 昔格达地层研究进展

1.2.2 压力拱研究进展

1.3 本文研究内容及方法

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究方法

1.3.3 技术路线

第2 章 隧道压力拱相关理论

2.1 隧道开挖后的力学状态

2.1.1 弹性状态

2.1.2 弹塑性状态

2.2 压力拱相关理论

2.2.1 普氏理论

2.2.2 动态压力拱理论

2.3 压力拱边界判断准则

2.4 小结

第3 章 昔格达地层隧道围岩压力拱效应相似模型试验研究

3.1 概述

3.2 昔格达地层围岩物理力学特性

3.3 模型试验原理及模型材料

3.3.1 相似理论

3.3.2 模型材料

3.4 模型试验装置

3.4.1 试验台架

3.4.2 测试系统

3.5 模型试验方案

3.5.1 试验工况

3.5.2 测点布置

3.5.3 试验步骤

3.6 模型试验结果分析

3.6.1 围岩塌落过程分析

3.6.2 围岩应力分析

3.7 小结

第4 章 昔格达地层隧道围岩压力拱效应离散元模拟

4.1 概述

4.2 细观参数标定

4.2.1 接触模型的选择

4.2.2 昔格达土标定过程及结果

4.2.3 初期支护细观参数确定

4.3 模型建立

4.3.1 计算模型

4.3.2 模拟过程

4.3.3 监测方案

4.4 无支护措施下压力拱效应分析

4.4.1 围岩失稳区域分析

4.4.2 横断面压力拱演化过程分析

4.4.3 纵断面压力拱演化过程分析

4.4.4 压力拱形态分析

4.4.5 压力拱动态发展规律

4.5 有支护措施下压力拱高度分析

4.6 小结

第5 章 深埋昔格达地层隧道围岩荷载计算理论

5.1 概述

5.2 基于临界成拱埋深的隧道深浅埋划分

5.3 普氏理论计算方法

5.4 《铁路隧道设计规范》公式

5.5 考虑压力拱效应的围岩荷载计算理论

5.6 计算理论的比较与确定

5.7 小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果