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原文传递土质隧道开挖稳定性及施工引起地面沉降研究

论文题名：	土质隧道开挖稳定性及施工引起地面沉降研究
关键词：	土质隧道开挖;稳定性;地面沉降;响应曲面法;上限定理;变分法
摘要：	目前随着我国社会经济的快速发展，需要大量修建水工隧洞以及地铁、公路和铁路等交通隧道以缓解能源短缺及交通拥堵问题，由于全国各地的地质条件纷繁各异，那么在这些地方修建隧道不仅对围岩稳定性的评价提出越来越高的要求，并且还需全面而准确的估计隧道开挖对邻近建(构)筑物稳定性的影响，因此还有许多有关隧道稳定性方面的问题，亟待人们去解决。　　首先本文对土质隧道稳定性评价计算方法进一步探讨；然后尝试以土质隧道开挖掌子面稳定性分析为例，给出掌子面稳定性评价结果能应用于指导实际隧道工程设计或施工方案优化调整的思路及实现方法；其次从理论解析角度探讨地震作用下土质隧道掌子面可能发生的破坏形式；最后关于隧道开挖引起的地层损失和地面沉降的预测方法上开展更深入的理论研究工作。其主要工作和成果如下：　　(1)本文详细总结了影响土质隧道稳定性的地质因素和工程因素，认识了包括地应力、地下水及地应力场等地质因素对围岩稳定性影响：也认识了隧道施工过程中人为施工活动与隧道稳定状态密不可分的关系，并总结了包括隧道选线、断面形状、开挖工艺以及支护情况等工程因素对围岩质量和稳定性状态的扰动影响。　　(2)本文针对目前隧道稳定性评价方法中仅以围岩应力状态为单一特征量来表征当前土质隧道所处稳定性状态的局限性。首先提出通过引入以应力状态σ和应变状态ε为自变量的状态函数S，用于反映土质隧道稳定性状态实际上是由围岩内二次集中应力状态和开挖后围岩产生变形状态共同作用的结果；然后参照给出以状态函数S表示的土质隧道安全系数。详细给出土体围岩满足理想弹塑性和Duncan-Chang本构模型下土质隧道安全系数具体计算方法原理和技术路线；并给出了两种本构模型下土质隧道处于极限状态时相应的判据。通过山西省某高速公路黄土隧道的应用分析，采用高地应力下Q3黄土试块的三轴试验结果表明，该黄土隧道稳定性评价过程中采用Duncan-Chang本构模型时可以得到更接近现场监测位移的结果，而且与采用理想弹塑性本构模型的稳定性计算结果相比，该黄土隧道安全系数也更接近该隧道特征点现场监测数据所反映出围岩所处的稳定性状态。　　（3）利用本文第二章关于土质隧道稳定性计算方法探讨隧道开挖后掌子面稳定性，并分别计算满足理想弹塑性和Duncan-Chang本构模型下土质隧道的掌子面安全系数。不仅指出现阶段掌子面安全系数用于定量评价掌子面稳定性储备程度的简单方便性，而且还阐述了目前其存在不能作为施工方案优化调整的直接量化依据的缺陷，并给出探讨掌子面安全系数与施工条件参数之间定量关系的必要性及可行性。　　（4）本文选取施工支护距离t、掌子面上的支护压力Tσ、地面附加荷载sσ和埋深与洞径之比C/D等四个施工条件参数为主要施工变量，通过以满足理想弹塑性本构模型的土质隧道开挖施工为例，给出构建掌子面安全系数关于施工条件参数的隐函数关系（即Fs=(t,σT,σs,C/D)）的思路；并利用多元函数Taylor公式变换得到了隐函数的多项式表达，尝试搭建掌子面安全系数与定量化施工方案的桥梁。在多个施工条件参数共同变化情形下，利用响应曲面法确定了掌子面安全系数的Taylor展开式中各项未知系数，还利用最速上升法优化最“合适”的区域，然后在该区域内进一步得到更能准确反映掌子面安全系数与施工条件参数之间真实定量关系的一阶或二阶Taylor展开式，并给出实现过程较完整的技术路线。最后在理想隧道开挖数值模型试验及隧道工程实例中应用分析，不仅对构建掌子面安全系数隐式表达Fs=(t,σT,σs,C/D)的理论基础和技术实现方法进行合理性验证；而且更重要的在于验证利用响应曲面法探讨土质隧道掌子面稳定性与施工条件之定量关系的思路的可行性及有效性。　　（5）文中还探讨地震作用下土质隧道掌子面破坏形式，并将其转换为变分问题；利用地震系数法将地震作用拟静力化处理，然后基于非线性Hoek–Brown屈服准则和上限定理建立了地震作用下掌子面破坏曲线的泛函，最终由最简泛函的Euler-Lagrange方程给出了当B=0.5时掌子面破坏极值曲线的特解，从而解决了过去在探讨隧道掌子面稳定性时需事先假定其破坏模式的问题，而且也可以作为地震多发区隧道施工风险评价定量依据之一。然后在两个理想隧道开挖计算模型中进行参数分析，探讨了滑动破坏方向角β、掌子面上的支护压力Tσ及地震设计烈度对掌子面破坏极值曲线的影响。最后将本文方法得到纵向扰动最大距离等结果与利用有限元数值分析地震响应的结果进行比较分析。　　（6）利用虚位移原理和Maxwell-Betti功互换定理构建出浅埋未衬砌圆形土质隧道的两组具有独立受力状态的计算模型并建立了地层损失的弹塑性计算公式；结合两组受力状态下（即弹性和弹塑性状态下）应力、应变和位移解析结果推导出未衬砌圆形隧道开挖引起的地层损失的弹塑性解析表达式。还总结归纳了地面沉降槽宽度系数的经验计算公式，并给出了近似表达的统一公式。而且讨论了本文方法与Sagaseta、Verrijt-Booker、Oteo和Loganathan等四种方法应用于同一个未衬砌黏土圆形隧道理想化模型上对比分析了它们之间异同点。并在HETT、GPU、TBT和BSN等四个隧道工程进行了有效性和准确性的验证，表明了本方法尤其在材料均匀分布且较硬的土质隧道中具有更好的准确性。　　（7）本文考虑土质隧道非均匀收敛变形并结合上限定理深入分析了不排水条件下因隧道开挖引起洞周边土体非均匀收敛变形与地层损失之间存在的内在联系。在充分考虑土质隧道开挖引起周边土体收敛变形方向的不确定性，提出了以隧道开挖引起周边土体非均匀收敛曲线与隧道最终衬砌断面曲线所围面积等效计算地层损失的非均匀模型。基于该非均匀地层损失模型中的几何关系及含义，给出隧道开挖引起的地层损失Vs的计算表达式。然后利用上限定理及变分法推导隧道开挖引起地层损失Vs的极限解析表达式。　　（8）将该地层损失计算模型的预测结果与Mair进行的离心机隧道模型试验中2DB、2DI两组模型的实测数据进行对比分析，表明其预测的地面沉降曲线能较好的拟合试验监测数据，而且预测的地层损失率及地面沉降值在水平距离x/D大于0.5时能较好拟合试验监测数据，而当水平距离x/D小于等于0.5时，地面沉降值能较好拟合试验监测数据的结果。进而在三个实际隧道工程中的应用中得到，尽管该方法预测地层损失和地面沉降的结果与现场监测结果并非完全相同，但差距也非常小；并且其结果反映出的地面沉降分布规律亦是正确的；相比利用虚位移原理及功互换定理建立的地层损失弹塑性计算公式而言，其预测出的隧道开挖引起地面沉降的误差相对大一些；但该非均匀地层损失计算模型预测的地层损失及地面沉降在实际隧道工程应用中仍表现了较高的有效性，仍然可以作为理论解析研究土质隧道开挖引起地面沉降预测的进一步尝试。
作者：	黄俊
专业：	水工结构工程
导师：	党发宁;陈厚群
授予学位：	博士
授予学位单位：	西安理工大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文