位移反分析法研究开挖过程中微风化隧道围岩安全系数变化规律

摘要

青岛地区主要为花岗岩地质，岩质坚硬，为隧道建设提供了良好的先天条件。但8号线地铁沿线部分地区岩石风化、破裂较为严重，是典型的残丘剥蚀斜坡地貌，在工程安全性评价时困难重重，所以急需我们寻找一种更加有效的围岩安全性评价指标，以便为地下工程施工、支护提供更安全、合理的方法。考虑依据安全系数法，结合D-P屈服准则，利用ABAQUS模拟软件，模拟隧道断面安全系数与位移变化，并结合实际工程问题分析安全系数小于1的范围，确定隧道开挖断面的易破坏区域，讨论此种评价方式的应用范围并检验其在围岩稳定性评价中应用的合理性。　　通过嘉定山区域及鞍山路区域等地质勘测，三轴试验研究、现场原位测试获取的岩土体的力学参数以及模拟分析岩土体基本力学变形行为，概括地分析青岛地铁8号线研究区间内以微风化花岗岩为主体的隧道基本力学变形特性及工程因素对围岩安全系数影响，共取得了以下认识：　　1、通过阅读大量国内外专家的研究资料，发现现有的围岩安全监测机制比较成熟但仍有很大的发展空间。通过嘉定山区域及鞍山路区域等地质勘测、三轴试验研究、现场原位测试以及土体基本力学变形行为的数值模拟分析，系统地研究了微风化花岗岩基本力学变形特性及工程因素对围岩安全系数影响。针对室内试验和数值模拟研究不能某些工程操作不方便的情况，引入安全系数法，研究表明安全系数小于1时隧道围岩的安全性极低。　　2、采用多种理论和数值分析方法，国际通用的围岩安全系数分析方法以及基于强度折减法计算得到了本文研究围岩安全系数的实用性，通过强度折减法计算不同类别的参数指标来计算同样二维条件下隧道围岩强度折减系数的大小，进而判断安全系数法的有效性。　　3、基于嘉定山区域的地质勘测，以D-P屈服准则为基础，结合弹塑性模型推导出在本工程微风化花岗岩地质环境下的隧道开挖的安全系数，并采用黄金分割法来进行位移反演，反演出监测点的竖向位移，与实际监测该点的位移相比较，确定该点反演参数弹性模量和泊松比的范围，以此求出该点的安全系数，并由局部点扩大到整个隧道断面，揭示了微风化花岗岩施工时安全系数受地质因素影响的规律；另本文通过对隧道开挖时的洞室的拱顶、拱脚和直墙上的观察测点分析其应力和位移变化，确定岩体开挖时的易破坏区，为隧道支护提供可参考的依据。　　4、基于鞍山路区域的地质勘测资料探究应力释放率、洞室间距及隧道埋深等工程因素影响隧道围岩安全系数变化的形式。与隧道支护结构的设计质量存在直接关系的就是围岩应力释放率选择的正确与否，如果选择了不正确应力释放率，一方面设计出的支护结构形成过于保护，造成浪费；另一方面可能设计出的支撑结构强度不够，造成事故。按照应力释放率的25%、40%、55%、70%、85%、100%分别模拟在这些应力释放情况下应力和位移的变化，最终总结在不同应力释放率条件下，安全系数的变化规律。　　5、其他隧道施工因素也会影响安全系数的变化，例如洞室轴线布置、洞室形状、洞室规模、洞室埋深、洞室间距、支护时机和支护形式、施工顺序和开挖方式等。本文就双洞隧道顶板距地面埋深不同、两隧道间距两个因素对安全系数的影响进行探究。

目录

声明

变量注释表

1 绪论

1.1课题研究的背景与意义（Background and Significance of Project Research）

1.2 隧道围岩安全评价技术的发展概况（ Development of Tunnel Surrounding Rock Safety Evaluation Technology）

1.3 隧道围岩安全性分析法概述（ Overview of Tunnel Rock Safety Analysis Methods）

1.4 本文的研究内容与思路（ Research contents and ideas of this article）

1.5本章小结（Conclusion of this chapter）

2 影响本区段隧道围岩安全性的因素

2.1地质因素（Geological factors）

2.2工程因素（Engineering factors）

2.3岩体的变形特征（Deformation characteristics of rock mass）

2.4 围岩安全性分区的概念（ Surrounding Rock Safety Zoning Concept）

2.5本章小结（Conclusion of this chapter）

3 围岩安全系数Fs

3.1 Mohr-Coulomb 准则下的安全系数 Fs（Safety factor Fs under Mohr-Coulomb criterion）

3.2 Drucker-Prager 准则下的安全系数 Fs（Safety factor Fs under Drucker-Prager criterion）

3.3 收敛准则及极限状态判断依据（ Convergence criteria and basis for judging limit state）

3.4 依据实例计算安全系数Fs（Calculation of safety factor Fs based on examples）

3.5本章小结（Conclusion of this chapter）

4 基于有限元强度折减法的围岩安全系数评估

4.1有限元强度折减法（Finite element strength reduction）

4.2 强度折减法计算结果分析（ Analysis of calculation results of strength reduction method）

4.3本章小结（Conclusion of this chapter）

5 地质因素对安全系数的影响及在隧道中的应用

5.1位移反分析法简介（Introduction to displacement back analysis）

5.2位移反分析的计算方法（Calculation method of displacement back analysis）

5.3工程概况（Project Overview）

5.4反演结果（Inversion results）

5.5左右隧道左拱脚位移统计分析（Statistical analysis of left arch foot displacement of left and right tunnels）

5 .6安全系数Fs的应用（Application of the safety factor Fs）

5.7本章小结（Conclusion of this chapter）

6 其他工程因素对安全系数的影响

6.1引言（Foreword）

6.2工程应用（Engineering Applications）

6.3 围岩应力释放率对隧道施工安全系数 Fs的影响（Effect of stress release rate of surrounding rock on safety factor Fs of tunnel construction）

6.4洞室埋深和洞室间距对安全系数的影响（Influence of Burial Depth and Cavity Distance on Safety Factor）

6.5本章小结（Conclusion of this chapter）

7 结论与展望

7.1主要工作与结论（Main work and conclusion）

7.2进一步研究建议（Suggestions for further research）

参考文献

作者简历

致谢

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