软弱深埋隧道围岩结构特性及支护荷载确定方法研究

摘要

根据2008年《中长期铁路网规划》我国在未来的10年需要修建的铁路隧道有5000多座，总长度约9000km，将超过我国已建成铁路隧道长度总和。我国是名符其实的隧道大国但不是隧道强国，因为我国隧道设计还处于半经验半理论的工程类比阶段。这对于处理埋深大、断面大、工程地质条件脆弱的隧道工程问题，现有的隧道设计理论必将迎来新的挑战。因此本论文主要以软弱破碎大断面深埋隧道围岩为研究对象，采用实验、数值模拟以及解析分析等研究方法对“隧道围岩结构及其稳定性控制理论”的核心问题隧道复合围岩结构形式及基于围岩结构的支护荷载确定方法展开系统深入的研究。具体的研究方法和得到的主要结论如下所述：
　　(1)采用实验手段对围岩变形破坏机理进行了研究。首先研制了应用于平面应变相似材料模型实验的人工散斑场，采用DSCM观测了渐进性破坏实验过程中的围岩变形场演化规律。DSCM观测结果表明：在逐级加载过程中，拱腰两侧楔形体是发生剪切破坏所致；拱顶上方在加载过程中发生向洞室方向的拉伸变形；随着荷载逐渐增大，拱腰处剪切破坏范围逐渐增大，拱顶处形成的拱形裂纹也是剪切破坏所致，拱顶上方的塌落拱二次破坏是拉剪综合作用的结果。
　　(2)实现了变形模量弱化的应变软化本构模型(劣化本构模型)的二次开发与验证。首先根据塑性势理论详细推导了劣化本构模型在FLAC3D的增量迭代格式，编制了FLAC3D二次开发接口程序，利用开发的程序进行工程算例分析并与解析解结果对比验证了程序的正确性。分析得出变形模量弱化对围岩变形影响显著；与Mohr-Colomb模型计算结果相比，劣化本构模型能更好地反映深埋隧道围岩在自重应力场下的劣化特性和变形破坏机理。
　　(3)采用实验手段对围岩结构特性进行了分析。在渐进性破坏实验过程中应用压力盒监测在加载过程中围岩压力的变化规律。压力盒监测结果表明：深埋隧道围岩由洞壁往围岩深处依次为松动区-压力拱拱体-原岩应力区。
　　(4)利用FLAC3D劣化本构模型对深埋隧道围岩结构特性进行了数值模拟研究。然后对侧压力系数、埋深、围岩级别对结构特性的影响进行了数值模拟研究。分析表明深埋隧道围岩结构特性为：切向应力低于原岩应力区域为劣化严重区(松动区)；切向应力高于原岩应力区的“承压区”为压力拱拱体；压力拱外是原岩应力区。侧压力系数对围岩结构层的形状有很大的影响，在侧压力系数一定的条件下，埋深和围岩级别对结构层范围有很大影响，并且决定了压力拱的成拱条件。
　　(5)利用弹性-塑性软化-塑性残余三线性应力应变软化模型，并考虑剪胀性的影响，推导了围岩内任意一点的应力和位移解析解。根据解析解得到的位移应力分布特点提出了深浅层围岩的物理概念：浅层围岩处于塑性残余状态，围岩达到了残余强度且发生了较大位移，需要进行加固和处理；深层围岩处于塑性软化区和弹性应力升高区，发生了相对较小的位移，承担了自身和以外大部分围岩荷载；围岩力学特性对深浅层围岩范围会产生很大影响。最后分析了深浅层围岩对支护结构提供的围岩压力，在此基础上提出了基于应变软化模型和考虑剪胀性的围岩特性曲线的计算方法。
　　(6)给出了“给定变形”的隧道支护结构工作方式下支护荷载的确定方法。首先将深层围岩、浅层围岩以及支护结构看成具有不同刚度的文克尔模型组成的支撑系统，并建立了支撑系统的力学模型；支护荷载包括两部分：一部分是深层围岩的变形压力，一部分是浅层围岩的松动压力。对于侧压力系数为1的圆形断面隧道，可以利用解析方法求出支护荷载；如果隧道断面是非圆形的并且侧压力系数不是1应借助于数值方法求出。
　　(7)结构层位态曲线描述的是支护结构荷载随不同支护架设时机洞壁已出现位移的变化规律。通过解析方法给出了围岩结构层位态曲线求法。分析表明结构层位态曲线反映了支护结构的实际工作情况，反映了支护与围岩的动态作用关系，给出了最佳支护时机与最合理的允许位移值。