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原文传递断面几何特征对蠕变泥岩隧道底鼓的影响

论文题名：	断面几何特征对蠕变泥岩隧道底鼓的影响
关键词：	泥岩隧道;底鼓病害;蠕变效应;断面几何特征
摘要：	底鼓病害是影响隧道施工和运营安全的重要因素之一，时常发生在隧道的施工期和运营期，如何对其进行防治是非常重要的。然而影响底鼓的因素是多方面的，因此不同隧道的底鼓机理有所差异，对应的防治措施也会有一定的改善。针对这一系列问题，论文以重庆铁路枢纽东环线-樵坪山隧道为依托，开展了侏罗系中统上沙溪庙组（J2s）泥岩的常规三轴试验和三轴分级蠕变试验，研究了（J2s）泥岩的物理力学特性和蠕变特性，建立了考虑Burgers模型的蠕变隧道模型，开展了泥岩隧道底鼓受蠕变效应和断面几何特征影响的研究，提出了蠕变泥岩隧道仰拱结构长期受力的变形控制对策，得出主要研究内容和研究结论如下：　　1、依托工程的底鼓机理为：水平底板下方泥岩遇水软化，导致水平底板下方围岩受地应力作用，产生较大的指向洞内的塑性变形并挤压水平底板，而水平底板结构形式的抵抗能力不足，最终形成底鼓。依托工程置换矢跨比为1:10的仰拱来抵抗围岩压力，使已上鼓段的底鼓得以遏制，不再继续上鼓，新施工段全程无底鼓现象发生。　　2、在仅考虑弹塑性变形的情况下，分析隧道断面几何特征（包括跨度、扁平率、仰拱矢跨比三方面）对泥岩隧道底鼓的影响，得出以下结论：隧道底鼓值和仰拱下方围岩塑性区面积都随隧道跨度的增大、扁平率的减小以及仰拱矢跨比的减小而增大；其中跨度对塑性区宽度影响较大，扁平率和仰拱矢跨比都对塑性区深度和拉伸破裂区面积影响较大。　　3、开展了J2s泥岩的常规三轴试验和分级蠕变试验，试验结果表明J2s泥岩有明显的瞬时变形特征、衰减蠕变特征、等速蠕变特征；基于上述蠕变特性，对Burgers模型进行了参数辨识，得到了不同应力水平条件下的蠕变参数；最后将Burgers模型参数成功输入有限元软件，并通过了模拟验证。　　4、对依托工程隧道进行了时效分析，分析结果表明蠕变平稳后，隧道围岩的蠕变变形不可忽略。从隧道跨度、扁平率、仰拱矢跨比三个方面开展了断面几何特征对蠕变过程中隧道底鼓的影响研究，结果表明：蠕变稳定的后期，隧道底鼓量主要受施作完成时的围岩塑性区和围岩应力分布影响；仰拱围岩的蠕变变形随隧道跨度增大均匀增大；隧道扁平率以83%为特征值，小于83%时，仰拱位移受蠕变效应影响明显，大于83%时，则仰拱位移受围岩蠕变影响相对较小；在考虑蠕变效应后，仰拱矢跨比1:8是特征值，当仰拱的矢跨比大于1:8后，对提升仰拱抵抗仰拱下方围岩蠕变变形的效果不大。　　5、针对不同隧道断面特征对泥岩蠕变隧道底鼓的影响，提出了增大衬砌厚度、同时增设锁脚锚杆和可压缩层、隧道断面优化三种方案，研究了各方案的抗底鼓效果。研究结果表明增大衬砌厚度能抵抗围岩变形，降低隧道底鼓，但衬砌厚度存在一个极限值，当厚度超过该值后，通过增大衬砌厚度来降低隧道底鼓的效果将减弱；增设锁脚锚杆和可压缩层的方案对降低底鼓是有效，此效果随可压缩层的弹性模量先增大后减小，当可压缩层的弹性模量为围岩弹性模量的50%时，效果达到最佳，可降低各阶段约30%的底鼓；优化断面几何特征在抑制底鼓的效果方面，仰拱矢跨比因素＞扁平率因素＞跨度因素，采用整体增大隧道扁平率同时局部增大仰拱矢跨比的方案可使底鼓降低50%以上。
作者：	黄铮钰
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	赵宁雨
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022