深埋隧道應(yīng)變軟化圍巖與支護(hù)相互作用分析.pdf

1、近年來(lái)，盡管已有大量學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于深埋高應(yīng)力隧道圍巖穩(wěn)定性的研究，但深部隧道或地下洞室仍經(jīng)常發(fā)生塌方、支護(hù)結(jié)構(gòu)失效破壞等工程事故。分析其原因，與科研人員對(duì)深埋隧道圍巖開(kāi)挖引起的力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題、隧道掘進(jìn)引起的圍巖支護(hù)相互作用問(wèn)題考慮不周有關(guān)，所建立的深埋隧道圍巖大變形控制措施與支護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)缺乏針對(duì)性與理論依據(jù)。本文針對(duì)這些不足，對(duì)深埋圓形隧道彈塑性分析與考慮開(kāi)挖面空間效應(yīng)的支護(hù)作用效應(yīng)展開(kāi)系統(tǒng)深入的理論研究。
　　首先，基于圍巖理想彈

2、塑性、應(yīng)變軟化、彈-脆-塑性峰后力學(xué)行為，提出了一種簡(jiǎn)便的有限差分方法來(lái)求解 Hoek-Brown屈服準(zhǔn)則下深埋圓形隧洞的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律與塑性區(qū)域范圍，通過(guò)算例驗(yàn)證了所提方法合理性。參數(shù)分析結(jié)果表明：對(duì)不穩(wěn)定、強(qiáng)度較弱的軟巖來(lái)講，更應(yīng)充分考慮巖體剪脹系數(shù)與臨界塑性軟化系數(shù)（巖體到達(dá)塑性殘余階段時(shí)的塑性剪切應(yīng)變）。針對(duì)巖體體積膨脹隨圍壓與塑性剪切應(yīng)變的變化規(guī)律，提出了一種非線(xiàn)性剪脹模型，并將該模型嵌入有限差分求解程序中，通過(guò)一系列參數(shù)分

3、析探討了不同質(zhì)量圍巖與支護(hù)壓力下圍巖內(nèi)部剪脹角的非線(xiàn)性分布規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于質(zhì)量較差的巖體，體積膨脹在接近洞壁時(shí)急劇增加，此種情況應(yīng)予以重視；剪脹角隨支護(hù)壓力增大而先減小后增大，故在深部隧道施工或者采礦過(guò)程中，應(yīng)存在最優(yōu)支護(hù)設(shè)計(jì)加固巖體使得圍巖的體積膨脹得到一定的控制。
　　其次，考慮到臨界塑性軟化系數(shù)受?chē)鷫河绊戯@著，給出了圍壓在塑性區(qū)域內(nèi)的卸荷路徑，據(jù)此提出了一種關(guān)于臨界塑性軟化系數(shù)的圍壓變化模型，給出了改進(jìn)的判別圍巖是否由塑

4、性軟化區(qū)域進(jìn)入流動(dòng)區(qū)域的準(zhǔn)則，比較了恒定與變化圍壓模型下圍巖內(nèi)臨界塑性軟化系數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變分量等分布情況。結(jié)果表明，對(duì)于質(zhì)量很差的巖體，相比于恒定圍壓模型，變化圍壓模型在一定程度上低估了圍巖變形，此種情況應(yīng)在工程實(shí)踐中予以重視。另外，提出了一種半解析半數(shù)值方法對(duì)統(tǒng)一強(qiáng)度理論下深埋圓形隧洞圍巖應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行推導(dǎo)求解，分析了中間主應(yīng)力對(duì)應(yīng)變軟化圍巖穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明Mohr-Coulomb等單剪強(qiáng)度理論計(jì)算得到的支護(hù)設(shè)計(jì)偏于保守。

5、　　然后，基于圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用兩階段分析法，提出了一種簡(jiǎn)便的預(yù)測(cè)理想彈塑性、應(yīng)變軟化、彈-脆-塑性圍巖下虛擬支護(hù)力的數(shù)值方法，通過(guò)與其他方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比論證了本文方法的優(yōu)勢(shì)。探討了臨界塑性軟化系數(shù)、巖體質(zhì)量、初始應(yīng)力、剪脹系數(shù)對(duì)虛擬支護(hù)力與開(kāi)挖面空間效應(yīng)的影響規(guī)律。參數(shù)分析結(jié)果表明：許多關(guān)于隧道掘進(jìn)的數(shù)值模擬研究或?qū)嶋H工程中，經(jīng)?；趶椥约俣ㄓ?jì)算應(yīng)力釋放率，相應(yīng)的支護(hù)設(shè)計(jì)并不安全；對(duì)于高應(yīng)力強(qiáng)剪脹性圍巖，開(kāi)挖面前方很遠(yuǎn)處巖體即不

6、穩(wěn)定，此時(shí)建議施加超前支護(hù)對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)加固。
　　最后，基于圍巖虛擬支護(hù)力的數(shù)值解，對(duì)第二階段圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用進(jìn)行FLAC3D數(shù)值模擬分析，通過(guò)引入圍巖變形折減率對(duì)支護(hù)控制圍巖變形效果進(jìn)行定量分析。根據(jù)大量參數(shù)分析，討論了多種力學(xué)因素影響下襯砌受力與圍巖變形折減率的變化規(guī)律，據(jù)此給出了多種工況下的支護(hù)施作滯后距離與圍巖預(yù)留變形量的具體范圍。提出了一種改進(jìn)的圍巖特征曲線(xiàn)，建立了支護(hù)結(jié)構(gòu)剛剛施作時(shí)圍巖洞壁初始變形與支護(hù)系統(tǒng)最終承