高地應力軟巖隧道圍巖壓力研究和圍巖與支護結構相互作用機理分析.pdf

1、隧道支護結構受力的大小是隧道結構設計、施工的一個基本依據(jù)。巖體開挖后受擾動而產生應力重分布過程極其復雜,尤其是在不良地質環(huán)境下更甚。國內外工程中,很多隧道遇到了擠壓大變形問題,如奧地利的陶恩隧道(Tanem)、阿爾貝格隧道(Arlberg)和日本的惠那山隧道(Enason),國內的家竹箐隧道、烏鞘嶺隧道、新關角隧道及木寨嶺隧道等,都具有圍巖軟弱、地應力較高、變形大且持續(xù)時間長等特點。在高地應力軟弱圍巖條件下修建隧道,由于軟巖本身自穩(wěn)能力

2、差、塑性變形大,且具有明顯的流變性,如對圍巖變形、應力變化規(guī)律不了解或支護結構不合理,往往會發(fā)生過量變形而使隧道坍塌。因此,對于地質條件差、地應力為高和極高的軟弱圍巖,其結構受力大小與受力特征對隧道結構安全尤為重要。
　　 國內外許多專家學者已對高地應力和軟弱圍巖等問題做了大量研究工作,但在地下工程圍巖壓力研究中仍然存在不少問題。比如,現(xiàn)有本構關系對高地應力軟巖尚不具有廣泛代表性,開挖應力釋放率很難在高地應力軟巖隧道中應用等。針

3、對目前研究中存在的問題,結合工程中出現(xiàn)的問題和實際需求,本文以高地應力軟弱圍巖條件下的關角隧道、木寨嶺隧道等工程為背景,通過地應力現(xiàn)場實測、理論研究與數(shù)值分析,對高地應力軟巖隧道圍巖壓力和圍巖與支護結構相互作用機理進行了研究與應用。主要進行了以下幾方面的研究工作:
　　 (1)地應力是隧道圍巖壓力產生的根本來源。為獲得高地應力分布規(guī)律,本文在中國地應力場分布規(guī)律統(tǒng)計分析基礎上,統(tǒng)計得到我國青藏地區(qū)平均水平地應力與垂直地應力的比值

4、隨深度變化的分布曲線。從而,總結出了青藏地區(qū)地應力分布規(guī)律與特點,為判別該區(qū)域地應力測試結果的合理性提供了依據(jù)。該規(guī)律在蘭渝線天池坪隧道和兩水隧道地應力現(xiàn)場實測中得到了應用。
　　 (2)在構造應力復雜的地區(qū),只能通過實地量測獲得原始地應力。本文采用水壓致裂法進行了蘭渝線天池坪隧道和兩水隧道地應力現(xiàn)場實測。在此基礎上,分析了隧道所處的原始高地應力水平及隧道開挖后的地應力分布規(guī)律;采用改進的BP神經網絡進行了木寨嶺、天池坪等隧道的

5、宏觀地應力場拓展分析,獲得了地應力的宏觀分布形態(tài)與特點。
　　 (3)針對現(xiàn)有本構關系對高地應力軟巖尚不具有廣泛代表性和卡斯特耐爾公式無法直接計算出在塑性區(qū)范圍不同發(fā)展過程對應的塑性形變壓力的問題,以原巖應力和隧道容許位移(或支護后實際量測位移)為出發(fā)點,采用巖體軟化“直-曲-直”模型,推導了隧道形變壓力計算公式。本文稱為“卡斯特耐爾擴展公式”。通過經典實例分析和在木寨嶺隧道高地應力V級軟巖段成功應用,驗證了該公式的正確性和實用

6、性。
　　 (4)由于高地應力軟巖隧道中存在的開挖面通過之前的監(jiān)測位移很難獲得和實測位移存在缺失等問題,基于原巖應力和實測位移曲線的開挖應力釋放率模型無法應用于高地應力軟巖隧道。本文利用臺階法開挖中存在的空間效應和改進的BP人工神經網絡模型預測位移以及多項式擬合預測方法,提出了兩類在高地應力軟弱圍巖條件下使用開挖應力釋放率模型的方法。通過在關角隧道和木寨嶺隧道大戰(zhàn)溝斜井高地應力軟巖地段的應用,探討了其結構荷載與應力釋放規(guī)律,其結

7、果得到三維數(shù)值分析的驗證。
　　 (5)為驗證卡斯特耐爾擴展公式合理性,基于參數(shù)全過程變化的應變軟化FLAC3D三維數(shù)值模型,模擬了木寨嶺隧道正洞高地應力軟巖地段隧道開挖支護過程。三維數(shù)值結果與卡斯特耐爾擴展公式計算結果吻合,進一步證明了該公式在高地應力軟弱圍巖條件下應用的可靠性、適用性。
　　 本文在統(tǒng)計青藏地區(qū)地應力分布規(guī)律基礎上,結合現(xiàn)場實測和拓展分析,準確獲得高地應力軟巖隧道位置原始地應力,為研究圍巖壓力和圍巖與

8、支護結構相互作用機理提供依據(jù)。在原始地應力基礎上,結合理論分析和數(shù)值仿真,獲得了高地應力軟巖隧道的圍巖壓力計算方法和圍巖與支護結構相互作用機理。本文主要創(chuàng)新點體現(xiàn)以下四個方面。
　　 (1)首次統(tǒng)計分析得到了我國青藏地區(qū)平均水平地應力與垂直地應力的比值隨深度變化的分布曲線,總結了青藏地區(qū)地應力分布規(guī)律與特點,為判別該區(qū)域地應力測試結果的合理性提供了依據(jù),也可為該地區(qū)的深埋地下工程勘察、設計和施工提供參考。
　　 (2)針

9、對高地應力條件下軟巖隧道大變形問題,引入巖體軟化“直-曲-直”模型,推導出適用于高地應力軟巖隧道基于原巖應力和隧道位移的隧道形變壓力計算公式。
　　 (3)針對高地應力軟巖隧道中存在的開挖面通過之前的監(jiān)測位移很難獲得和實測位移存在缺失等問題,提出了兩類在高地應力軟弱圍巖條件下使用開挖應力釋放率模型的方法。
　　 (4)在三維數(shù)值分析中,為反映軟弱圍巖參數(shù)隨坑道變形而不斷變化的特點,引入參數(shù)全過程變化的應變軟化模型,利用F