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原文传递黄土软弱破碎围岩隧道稳定性分析

论文题名：	黄土软弱破碎围岩隧道稳定性分析
关键词：	软弱破碎围岩;有效支护抗力;神经网络;隧道稳定性;数值模拟
摘要：	复杂工程地质条件下，隧道稳定性问题十分突出，对其合理的分析评价在隧道的安全建设与运营方面都具有非常重要的意义。本文以黄土软弱破碎围岩隧道为主要的研究对象，采用理论分析研究、数值模拟、现场试验及跟踪量测的方法，以稳定性分析为核心内容，以影响和反映隧道稳定性的围岩材料特性、支护抗力、施工开挖方法、监测数据信息及隧址赋存环境等因素为基本出发点，系统研究了黄土软弱破碎围岩隧道稳定性问题，主要研究工作和成果如下：　　(1)围岩材料特性研究方面，引入了卸荷释放率模拟隧道开挖的动态卸荷过程，建立了模拟隧道开挖卸荷的动态施工过程弹-塑性软化模型，推导了应力和位移解析式。分析得到黄土隧道围岩在理想塑性阶段最终破坏是强度破坏，围岩的失稳发生在塑性软化阶段的残余理想塑性区。合理解释了黄土隧道在开挖卸荷出现临空面，围岩壁强度低于峰值强度，但仍可保持稳定的现象。　　(2)支护抗力研究方面，在考虑“充分发挥围岩的自承能力”的条件下，推导了弹-塑性软化变形围岩压力与支护抗力之间的解析式，深埋隧道围岩变形超过自身的抗变形能力时围岩松动情况下的支护抗力解析式，隧道底鼓产生的机理的解析表达式。分析得到软化系数增大，隧道围岩塑性区半径和破碎区半径之比将会越小，隧道围岩中的塑性过渡区减少，隧道产生突发性崩塌的危险性增加，拱脚处是围岩松动圈内围岩稳定的支撑点，隧道跨度越大越容易发生底鼓。　　(3)施工开挖方法研究方面，模拟隧道施工的不同工法，分别从围岩受力特性、支护受力特性、围岩变形及塑性区及系统锚杆等方面进行了研究，得到了每一开挖步应力集中的部位及在开挖过程中应力的变化趋势。分析得到各种工法的施工中，围岩拉应力集中主要出现在拱底和拱顶，造成拱顶下沉和底鼓，在施工中应及时封闭仰拱和进行拱顶的超前支护。压应力集中主要出现在各个开挖步台阶与围岩的接触部位并逐步过渡到拱脚，加强拱脚的支护是控制黄土隧道整体下沉的关键。　　(4)监测数据信息研究方面，分析了对监控量测数据通过相空间的重构来实现对隧道开挖扰动非线性动力学系统的描述的可行性，解决了对隧道位围岩移监控量测一维数据反映信息少、无法刻画复杂系统动力行为问题。应用模糊神经网络和RBF神经网络，结合工程实例对隧道围岩位移进行预测，对两种预测结果对比分析，得到在信息量较少的情况下 RBF神经网络预测的结果比模糊神经网络较真实值更为接近的结论。　　(5)隧址赋存环境研究方面，通过边坡的稳定性安全系数解析式将隧道与边坡联系起来，理论分析隧道开挖对其隧址穿越的边坡的稳定性的影响及边坡发生失稳的机理，数值模拟了不同工法开挖对边坡稳定性的影响，设置试验段采用CRD法开挖，对边坡进行监测。从监测数据分析可知隧道采用CRD法开挖右导洞中、下台阶的开挖对边坡位移变化率绝对值影响较大，是控制边坡稳定的关键点，隧道开挖对边坡变形的影响范围有限，在采用CRD法施工时1.5倍隧道跨径内是边坡变形影响敏感区，此段范围应加强对边坡变形的监测。黄土围岩基底承载力低和具有湿陷性对隧道整体稳定性有重要的影响，结合实际工程实例通过提高地基承载力、结构抗沉降能力、选择适宜的施工工法来处治黄土软基隧道。
作者：	陈思阳
专业：	结构工程
导师：	朱彦鹏
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州理工大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文