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原文传递上软下硬复合地层隧道施工稳定机理及风险评估研究

论文题名：	上软下硬复合地层隧道施工稳定机理及风险评估研究
关键词：	隧道工程;稳定机理;量化评价;复合地层
摘要：	本论文以国家自然科学基金面上项目“上软下硬地层隧道渐进破坏机理与设计方法研究”（编号：51478118）和广西科技计划项目“复合地层隧道施工稳定机理及量化评价研究”（编号：桂科AD18126011）为依托。以上软下硬复合地层隧道稳定性为研究对象，通过物理力学试验、模型试验、数值极限分析、安全量化评价等技术手段对上软下硬复合地层的隧道稳定性影响因素、隧道时空稳定性、隧道失稳破坏机理以及隧道施工安全风险等方面开展了系统研究。主要研究工作和成果如下：　　（1）从围岩力学性质试验、地质因素、工程因素和综合影响多个维度对影响上软下硬复合地层隧道稳定性的因素开展了相关研究。首先，采用人工制备试样方法研究了上软下硬复合地层围岩试样的力学性质。结果表明，围岩力学性质主要由岩层分布决定，软硬分界面位置和高强材料占比是影响围岩力学性质和破坏模式的主要影响因素。其次，构建了以初始竖向应力、初始水平应力、围岩特性、结构面特性与位置、软硬地层围岩组合正交试验分析了地质因素对上软下硬地层隧道稳定性影响，发现结构面特性与位置和软硬地层围岩组合因素对隧道稳定性比较敏感。然后，依据数值极限分析理论和安全系数法分析了工程因素对于上软下硬复合地层隧道稳定性影响，揭示了塑性区极限破坏演化模式和发展规律，并建立了基于围岩安全系数的稳定性评价体系。最后，综合各影响因素建立了以地质因素、工程因素、人为施工、隧道尺寸等为关键指标的多因素分析模型，确定了人为施工因素和地质因素为主要影响因素。　　（2）从采用爆破和非爆破开挖方法对上软下硬复合地层隧道时空稳定性展开了研究，并以武广高铁浏阳河隧道为工程背景提出了上软下硬复合地层隧道动态分部开挖新工法。首先，通过正交试验探究上部软弱地层非爆破开挖和下部较硬地层爆破开挖隧道时空稳定性，发现影响上部软弱地层隧道稳定性因素排序为否设置临时支撑、无支撑暴露时间和临时支撑拆除时间。其次，通过建立复合地层爆破施工分析模型，研究断面下部为硬岩地层爆破开挖隧道时空稳定性，揭示了不同分层角对爆破振动和隧道围岩影响规律。通过现场监测、数值模拟和拟合分析，揭示了爆破振动波在特殊地层传播特性，并建立了适用于上软下硬复合地层爆破振动波传播规律修正模型。最后，以武广高铁浏阳河隧道实际工程案例，提出了上软下硬复合地层隧道动态分部开挖新工法，并分析了其在不同围岩组合状态下的适应性。　　（3）通过隧道模型试验、强度折减法以及数值极限分析法研究了上软下硬复合地层隧道失稳破坏机理及稳定性量化评价。首先，开展了上软下硬复合地层隧道开挖稳定性模型试验，结果表明软硬分界面分布对隧道开挖受力变形影响显著。其次，利用强度折减法、数值极限分析法研究了隧道稳定性及失稳坍塌形态，定量评价了上软下硬复合地层隧道安全性，并揭示了潜在破坏面分布。然后，基于模型试验和数值性极限分析揭示了上软下硬复合地层隧道围岩失稳破坏模式，破坏区域主要围绕在软硬分界面和拱顶处，而软硬分界面决定了破坏区域大小及影响范围。　　（4）建立了上软下硬复合地层隧道施工期总体安全风险评估模型和应用，并对隧道坍塌和突涌水典型风险进行了评估模型构建和专项评估。首先，调研了上软下硬复合地层隧道施工风险并进行了有效的风险辨识，建立了安全风险量化评估指标体系；运用模糊-熵权理论构建了量化评估模型并对金台铁路五峰山隧道项目进行总体安全风险评估，评估结果为“可能发生风险”。其次，通过概率风险分析方法构建隧道坍塌安全风险评估模型并应用，评估结果为“下部爆破开挖对上部影响”风险等级最高。最后，利用区间数学理论对软硬分界面导致渗流突水风险动态评估，结果为评估区间内“高度危险性”；评估结果与工程施工现场情况相符，验证了评估模型的合理性与可行性。
作者：	黄惟
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	吴波
授予学位：	博士
授予学位单位：	广西大学
学位年度：	2022