深埋大斷面隧道施工力學(xué)性態(tài)研究.pdf

1、本論文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“隧道與地下空間工程結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性與可靠性”與重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目“大跨度隧道修建關(guān)鍵技術(shù)研究及示范工程”，采用理論分析、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段，對(duì)深埋大斷面隧道施工力學(xué)性態(tài)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)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(xué)理論和大斷面隧道施工方法的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了巖體中初始地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律和大斷面隧道的基本力學(xué)特

2、性。 結(jié)合典型示范工程，在室內(nèi)做了隧道圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試，針對(duì)示范工程隧道的圍巖力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了大量的相似材料配比實(shí)驗(yàn)，利用中科院武漢巖土所大型巖土工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)大斷面隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了相似材料模擬實(shí)驗(yàn)，得到了深埋高地應(yīng)力大斷面隧道施工圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律及圍巖破壞特征。 對(duì)深埋大斷面隧道在全斷面法、上下臺(tái)階兩分部法、上下臺(tái)階三分部法、左右兩分部法和左右四分部法施工時(shí)的力學(xué)性態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了毛洞開(kāi)挖、

3、錨噴初支時(shí)隧道施工各階段的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、位移場(chǎng)、錨噴力學(xué)性態(tài)的動(dòng)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(kāi)挖卸荷導(dǎo)致圍巖主應(yīng)力差增大，引起某些方向裂紋開(kāi)裂、擴(kuò)展，圍巖損傷逐漸積累并造成圍巖局部甚至整體破壞的過(guò)程。本文基于隧道開(kāi)挖圍巖損傷演化方程，采用數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，得到了深埋大斷面隧道全斷面毛洞開(kāi)挖圍巖損傷范圍和特征，并與相似材料模擬實(shí)驗(yàn)圍巖破壞特征進(jìn)行了對(duì)比分析。 通過(guò)對(duì)

4、隧道圍巖壓力的種類(lèi)、影響因素的全面分析，基于數(shù)值模擬計(jì)算，得出側(cè)壓力系數(shù)和隧道埋置深度對(duì)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(jì)算方面，分析了深、淺埋隧道分界線的確定標(biāo)準(zhǔn)，探討了隧道圍巖壓力公式本質(zhì)的統(tǒng)一性以及經(jīng)典圍巖壓力計(jì)算公式的適用條件，并結(jié)合示范工程對(duì)隧道開(kāi)挖錨噴初支的力學(xué)性態(tài)及演化規(guī)律進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。隧道開(kāi)挖圍巖失穩(wěn)破壞可看作是一個(gè)突變的過(guò)程，本文基于深埋大斷面隧道施工圍巖變形實(shí)測(cè)資料，建立了隧道開(kāi)挖圍巖失穩(wěn)的尖

5、點(diǎn)突變預(yù)測(cè)模型，獲得了與示范工程現(xiàn)場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性相一致的判別結(jié)果。 論文取得的主要研究成果和結(jié)論如下： 1．以白乳膠、淀粉、機(jī)油、石膏、水、粉砂的混合物制作了模擬實(shí)驗(yàn)的相似材料，分析得出混合物中各材料含量對(duì)相似材料的力學(xué)性質(zhì)影響規(guī)律，得到了滿足示范工程相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的相似材料配比。探索由硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，深埋高地應(yīng)力大斷面三心拱隧道開(kāi)挖后呈現(xiàn)拱腳、拱肩在圍巖壓力作用下最易發(fā)生片幫、塌方，進(jìn)而引發(fā)隧道側(cè)壁失穩(wěn)、拱頂巖體冒落的破壞特征?；趪鷰r損傷演化方程、采用數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果得出的圍巖損傷范圍和特征，與相似材料模擬實(shí)驗(yàn)圍巖破壞特征基本吻合。 3．?dāng)?shù)值計(jì)算結(jié)果表明，隧道的開(kāi)挖分部數(shù)目及其型式與圍巖性質(zhì)、地應(yīng)力場(chǎng)分布、施工工藝及其支護(hù)型式相適應(yīng)，分部數(shù)過(guò)多、分部形態(tài)不合理都可能發(fā)生應(yīng)力集中過(guò)大或拉伸破壞。錨

7、噴支護(hù)能否達(dá)到預(yù)期效果不僅取決于支護(hù)參數(shù)及型式是否合理，而且與隧道施工方法直接相關(guān)。錨噴支護(hù)可以有效控制圍巖位移，顯著降低圍巖主應(yīng)變、剪應(yīng)變，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致主應(yīng)力增大。 4．隨著側(cè)壓力系數(shù)λ的增加，深埋大斷面隧道圍巖豎向應(yīng)力、拱頂豎向位移、初支彎矩和初支軸力均呈增大趨勢(shì)，且圍巖豎向應(yīng)力、初支彎矩和初支軸力的計(jì)算收斂值表現(xiàn)為向某一定值收斂的趨勢(shì)，而拱頂豎向位移隨側(cè)壓力系數(shù)增加有繼續(xù)增大之勢(shì)。深埋大斷面隧道施工圍巖拱頂豎向位移對(duì)側(cè)壓力

8、系數(shù)最為敏感，初支彎矩、初支軸力次之，圍巖豎向應(yīng)力敏感性最小。當(dāng)λ<1時(shí)，深埋大斷面三心拱隧道最先出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位是起拱線附近，而在λ=1時(shí)，圍巖的變形比較均勻，最先發(fā)生應(yīng)力集中處是在拱腳和起拱線之間，當(dāng)1<λ<2，圍巖最先在拱腳和拱肩處破壞。 5．根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果及典型斷面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(yīng)力、拱頂豎向位移、初支彎矩和初支軸力均有所增長(zhǎng)，但不顯著，并且隧道埋深越大，增長(zhǎng)幅度越小，在