深埋大斷面隧道施工力學性態(tài)研究.pdf

1、本論文結合國家自然科學基金重點項目“隧道與地下空間工程結構物的穩(wěn)定性與可靠性”與重慶市科技攻關項目“大跨度隧道修建關鍵技術研究及示范工程”，采用理論分析、相似材料模擬實驗、數值模擬和現場試驗等手段，對深埋大斷面隧道施工力學性態(tài)相關問題進行了研究。論文主要研究工作包括： 論文探索性地給出了深埋隧道的合理深度范圍，系統(tǒng)地論述了隧道施工力學理論和大斷面隧道施工方法的研究現狀，詳細分析了巖體中初始地應力場分布規(guī)律和大斷面隧道的基本力學特

2、性。 結合典型示范工程，在室內做了隧道圍巖的巖石力學參數測試，針對示范工程隧道的圍巖力學性質進行了大量的相似材料配比實驗，利用中科院武漢巖土所大型巖土工程模擬試驗系統(tǒng)，對大斷面隧道開挖過程進行了相似材料模擬實驗，得到了深埋高地應力大斷面隧道施工圍巖二次應力場的分布規(guī)律及圍巖破壞特征。 對深埋大斷面隧道在全斷面法、上下臺階兩分部法、上下臺階三分部法、左右兩分部法和左右四分部法施工時的力學性態(tài)進行了數值模擬，分析了毛洞開挖、

3、錨噴初支時隧道施工各階段的應力場、應變場、位移場、錨噴力學性態(tài)的動態(tài)變化規(guī)律，得出了適合示范工程所研究圍巖地段的合理施工方法。 隧道圍巖失穩(wěn)往往是隧道開挖卸荷導致圍巖主應力差增大，引起某些方向裂紋開裂、擴展，圍巖損傷逐漸積累并造成圍巖局部甚至整體破壞的過程。本文基于隧道開挖圍巖損傷演化方程，采用數值模擬計算結果，得到了深埋大斷面隧道全斷面毛洞開挖圍巖損傷范圍和特征，并與相似材料模擬實驗圍巖破壞特征進行了對比分析。 通過對

4、隧道圍巖壓力的種類、影響因素的全面分析，基于數值模擬計算，得出側壓力系數和隧道埋置深度對深埋大斷面隧道圍巖壓力特征的影響規(guī)律。在圍巖壓力的計算方面，分析了深、淺埋隧道分界線的確定標準，探討了隧道圍巖壓力公式本質的統(tǒng)一性以及經典圍巖壓力計算公式的適用條件，并結合示范工程對隧道開挖錨噴初支的力學性態(tài)及演化規(guī)律進行了現場試驗研究。隧道開挖圍巖失穩(wěn)破壞可看作是一個突變的過程，本文基于深埋大斷面隧道施工圍巖變形實測資料，建立了隧道開挖圍巖失穩(wěn)的尖

5、點突變預測模型，獲得了與示范工程現場圍巖穩(wěn)定性相一致的判別結果。 論文取得的主要研究成果和結論如下： 1．以白乳膠、淀粉、機油、石膏、水、粉砂的混合物制作了模擬實驗的相似材料，分析得出混合物中各材料含量對相似材料的力學性質影響規(guī)律，得到了滿足示范工程相似材料模擬實驗的相似材料配比。探索由硅橡膠、環(huán)氧樹脂、正硅酸四乙脂、二丁基二月桂酸錫、汽油和粉砂的混合物模擬巖石材料，得到了易于脫模且具有較好流變性的模型材料。 2

6、．相似材料模擬實驗結果表明，深埋高地應力大斷面三心拱隧道開挖后呈現拱腳、拱肩在圍巖壓力作用下最易發(fā)生片幫、塌方，進而引發(fā)隧道側壁失穩(wěn)、拱頂巖體冒落的破壞特征。基于圍巖損傷演化方程、采用數值模擬計算結果得出的圍巖損傷范圍和特征，與相似材料模擬實驗圍巖破壞特征基本吻合。 3．數值計算結果表明，隧道的開挖分部數目及其型式與圍巖性質、地應力場分布、施工工藝及其支護型式相適應，分部數過多、分部形態(tài)不合理都可能發(fā)生應力集中過大或拉伸破壞。錨

7、噴支護能否達到預期效果不僅取決于支護參數及型式是否合理，而且與隧道施工方法直接相關。錨噴支護可以有效控制圍巖位移，顯著降低圍巖主應變、剪應變，但同時會導致主應力增大。 4．隨著側壓力系數λ的增加，深埋大斷面隧道圍巖豎向應力、拱頂豎向位移、初支彎矩和初支軸力均呈增大趨勢，且圍巖豎向應力、初支彎矩和初支軸力的計算收斂值表現為向某一定值收斂的趨勢，而拱頂豎向位移隨側壓力系數增加有繼續(xù)增大之勢。深埋大斷面隧道施工圍巖拱頂豎向位移對側壓力

8、系數最為敏感，初支彎矩、初支軸力次之，圍巖豎向應力敏感性最小。當λ<1時，深埋大斷面三心拱隧道最先出現應力集中的部位是起拱線附近，而在λ=1時，圍巖的變形比較均勻，最先發(fā)生應力集中處是在拱腳和起拱線之間，當1<λ<2，圍巖最先在拱腳和拱肩處破壞。 5．根據數值計算結果及典型斷面現場試驗分析得出，隨著深埋大斷面隧道埋深的增加，隧道圍巖豎向應力、拱頂豎向位移、初支彎矩和初支軸力均有所增長，但不顯著，并且隧道埋深越大，增長幅度越小，在