炭質千枚巖隧道圍巖流變機制與讓抗耦合支護結構研發(fā)及工程應用.pdf

1、在世界經濟全球化和區(qū)域經濟一體化的新形勢下，“一帶一路”的規(guī)劃與實施為我國交通建設事業(yè)帶來了巨大機遇與挑戰(zhàn)。在我國西部地質條件極其復雜的山嶺地區(qū)交通基礎設施如火如荼的規(guī)劃與修建中，涌現(xiàn)出了大量穿越強震重災區(qū)深長大跨隧道工程，施工過程中面臨頻發(fā)的大變形、掉塊、塌方、巖爆和突水涌泥等地質災害威脅，造成了巨大的人員傷亡和經濟損失。穿越5·12汶川強震重災區(qū)的炭質千枚巖隧道，巖體經歷強震的動力揉搓損傷，強度低、層間結合差、節(jié)理裂隙發(fā)育、遇水泥化

2、，具有顯著的流變特性，給隧道修建帶來了巨大的技術挑戰(zhàn)。本文以穿越汶川強震重災區(qū)高原鐵路某深長炭質千枚巖隧道為工程依托，通過對多條典型炭質千枚巖隧道大變形現(xiàn)場調研的基礎上，運用現(xiàn)場測試、室內試驗、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等研究手段，取得了如下具有一定理論價值和工程意義的研究成果:
　　(1)基于現(xiàn)場測試和室內單軸、三軸及流變試驗結果，系統(tǒng)研究了隧址區(qū)炭質千枚巖的工程特性及物理力學性質，系統(tǒng)總結了強震重災區(qū)炭質千枚巖隧道圍巖大變形

3、特性、發(fā)生機制、破壞模式和影響因素，闡明了圍巖大變形環(huán)境下支護結構失穩(wěn)破壞的力學機制;
　　(2)考慮巖樣初始微裂隙損傷等固有初始屬性，引入了表征巖體固有初始屬性的系數(shù)m、n，提出了一種可描述微裂隙材料壓密變形的瞬時塑性體元件，建立了表征瞬時塑性體應力應變的指數(shù)函數(shù)關系;提出了以初始微裂隙損傷等固有屬性決定的非線性粘塑性流動應力閥值作為由穩(wěn)定蠕變向非線性加速蠕變過渡的判定點準則;考慮材料受荷應力水平α、非線性粘塑性流動應力觸發(fā)值σ

4、s及材料固有初始屬性β，優(yōu)化了非線性加速蠕變指數(shù)ns，建立了表征非線性加速蠕變應力應變關系的函數(shù)表達式;
　　(3)構建了能夠完整描述巖石蠕變全過程的非線性黏彈塑性蠕變本構模型(INEVP)，模型可以較好的表征巖石瞬時彈性—瞬時塑性—黏彈性—黏塑性變形，尤其適用于描述含有初始微裂隙損傷材料的瞬時變形及非線性加速蠕變變形;運用MATLAB數(shù)值計算軟件，基于最小二乘法對INEVP模型中參數(shù)進行了辨識;推導了本構方程三維中心差分形式并開

5、發(fā)了相應計算程序，對比室內流變試驗結果驗證了模型的有效性和適用性;
　　(4)建立了隧道三維計算模型，基于提出的INEVP模型，分析了炭質千枚巖隧道三臺階施工過程中，不同臺階長度、不同支護時機等工況下拱頂沉降、拱腰水平收斂和邊墻水平收斂空間分布特征及變形時效特性，揭示了不同支護滯后時間影響下圍巖與初支的接觸壓力變化規(guī)律，為最優(yōu)支護時機與合理讓壓變形量的確定提供了理論依據;
　　(5)借鑒高層建筑框架核心筒結構設計方法，遵循“

6、先讓后抗再剛”和“協(xié)同變形”的大變形控制思想，研發(fā)了鋼格柵混凝土核心筒新型讓抗耦合支護結構（SGCCT支護結構），介紹了SGCCT支護結構的組成與特點，建立了拱架定量讓壓計算方程與讓壓時機控制準則;分析了拱架變形特征及荷載承擔比的變化規(guī)律;
　　(6)選取圍巖大變形高風險段，開展了傳統(tǒng)型鋼拱架和SGCCT拱架現(xiàn)場應用對比試驗，研究了兩種不同支護結構作用下圍巖收斂變形、圍巖深部位移、圍巖與初支接觸壓力、拱架內力、錨桿軸力、初支與二襯