分岔隧道圍巖損傷與穩(wěn)定性研究.pdf

1、高速公路分岔式隧道由四車道大拱隧道、連拱隧道、小間距隧道及標(biāo)準(zhǔn)間距的分離隧道組成，它同時(shí)具備這些隧道的特點(diǎn)，但是絕對(duì)不是這些隧道的簡(jiǎn)單疊加。高速公路分岔式隧道是在地形地質(zhì)條件極端復(fù)雜、橋隧相連的峽谷山區(qū)為了降低工程造價(jià)減小施工難度而發(fā)展出來(lái)的一種新型隧道結(jié)構(gòu)型式。作為一種新型隧道形式，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)分岔式隧道的設(shè)計(jì)施工尚未見全面系統(tǒng)的研究，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。其受力特點(diǎn)、圍巖穩(wěn)定性分析、設(shè)計(jì)施工方法等尚處于經(jīng)驗(yàn)積累階

2、段，因此，開展分岔式隧道的圍巖穩(wěn)定與損傷特性研究具有十分重要的理論和實(shí)際意義。本文以八字嶺分岔隧道中斷續(xù)節(jié)理巖體為研究背景，針對(duì)分岔式隧道的特點(diǎn)，首先開展了室內(nèi)類巖石材料損傷力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)在于研究節(jié)理裂隙巖體損傷破壞特性；在此基礎(chǔ)上，開展相應(yīng)的損傷理論研究，即應(yīng)用不可逆熱力學(xué)原理，建立裂隙巖體彈塑性損傷本構(gòu)方程和損傷演化方程，為進(jìn)一步分析分岔式隧道合理間距及圍巖穩(wěn)定性建立數(shù)值分析模型；通過分岔式隧道大型力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)，建立分岔式隧道合

3、理間距和損傷破壞機(jī)理，為大拱與連拱過渡地段、連拱與小間距過渡地段提供復(fù)雜受力條件下的破壞形態(tài)和損傷演化特性分析；通過理論分析和模型實(shí)驗(yàn)確定的分岔式隧道合理間距，進(jìn)一步通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)來(lái)驗(yàn)證合理性，因此進(jìn)行了分岔式隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)與反演分析，為分岔式隧道合理施工提供安全和信息保證；利用上述研究成果，綜合進(jìn)行分岔式隧道圍巖損傷與穩(wěn)定性分析，最終解決分岔式隧道設(shè)計(jì)和施工中的關(guān)鍵問題。 本論文針對(duì)八字嶺隧道節(jié)理巖體的特點(diǎn)，首先開展了節(jié)理巖體

4、損傷特性的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過試驗(yàn)研究了類巖石材料的配比，提出了新的模型實(shí)驗(yàn)材料，為開展節(jié)理巖體損傷實(shí)驗(yàn)提供條件。利用聲發(fā)射檢測(cè)手段，通過對(duì)含裂紋類巖石材料試件的單軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)定了含裂紋體準(zhǔn)脆性類巖石材料受壓破壞過程中裂紋擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)的聲發(fā)射全過程曲線、聲發(fā)射分布及聲源點(diǎn)的分布狀態(tài)。開展了完整試件、含單裂隙初始損傷和雙裂隙初始損傷試件的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，得到了全應(yīng)力應(yīng)變曲線。 通過聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和損傷變量的關(guān)系，首次定量地確定了類巖石材料損

5、傷破壞各個(gè)階段的臨界值。通過定量確定的損傷臨界值，首次提出了節(jié)理巖體破壞的五個(gè)階段：初始裂紋閉合階段；線彈性損傷階段；彈塑性損傷階段：裂紋生成、宏觀裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和不穩(wěn)定擴(kuò)展；損傷引起材料的破壞和材料的軟化行為階段。 定量地分析了完整試件、含單個(gè)裂紋初始損傷試件和含雙個(gè)裂紋初始損傷試件的類巖石材料破壞各個(gè)階段的損傷臨界值。針對(duì)損傷特性的力學(xué)試驗(yàn)，首次用幾何損傷的方法，詳細(xì)地描述了含初始損傷的類巖石材料的破壞機(jī)理和全應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)生

6、過程，為下一步建立節(jié)理巖體能量耗散的損傷本構(gòu)方程建立實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論背景。常規(guī)的彈塑性有限元模型由于沒有考慮到損傷和塑性的耦合作用，難以模擬破壞時(shí)由于內(nèi)部損傷的累積導(dǎo)致的巖體破壞過程，不能很好地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的細(xì)觀破壞機(jī)理。作者采用一種宏細(xì)觀結(jié)合的思路，基于宏細(xì)觀結(jié)合的損傷力學(xué)開展了節(jié)理巖體能量耗散損傷本構(gòu)方程的研究，并建立了相應(yīng)的數(shù)值分析方法，為合理評(píng)價(jià)分岔式隧道圍巖穩(wěn)定和合理間距提供了有效手段。 在理論研究的基礎(chǔ)上，本文首次開展

7、了分岔式隧道大規(guī)模的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究，為隧道圍巖損傷特性及穩(wěn)定性分析提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。模型試驗(yàn)中開發(fā)的新型相似材料、三維模型系統(tǒng)、開挖監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析等具有創(chuàng)新性。 在模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)八字嶺分岔式隧道的特點(diǎn)，首次全面開展了分岔式隧道各個(gè)階段的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)及反演分析研究。給出了分岔式隧道監(jiān)控量測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；在對(duì)圍巖變形、松動(dòng)范圍、支護(hù)內(nèi)力和中隔墻壓力及其二次襯砌壓力等進(jìn)行全方位跟蹤監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，分析了分岔式隧道圍巖和支護(hù)系