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原文传递大跨度隧道开挖扰动下围岩稳定性研究——以贵阳市蛮坡隧道为例

论文题名：	大跨度隧道开挖扰动下围岩稳定性研究——以贵阳市蛮坡隧道为例
关键词：	大跨度隧道;全断面爆破法;开挖扰动;围岩稳定性;结构损伤;应力波传播
摘要：	随着中国城市快速道路的不断发展，目前单向二车道和三车道的隧道已经不能满足人们的交通需求，因此修建单向四车道甚至五车道的大跨度隧道是近些年的发展趋势。大跨度隧道在开挖扰动后的围岩稳定性是尤为关键的，围岩的应力分布会随开挖工法的不同而产生差异性，当采用全断面爆破法施工时，围岩会受到爆破荷载的扰动，使得这种差异性更为显著。因此，研究各开挖工法在大跨度隧道中施工的适用性以及围岩在爆破荷载扰动后的稳定性具有一定的工程意义。　　本文依托于贵阳市蛮坡大跨度隧道工程，首先基于M-C准则和H-B准则分析了大跨度隧道开挖扰动后围岩的弹塑性区应力分布规律，对隧道施工现场所取岩块进行常规的室内静载力学试验以及霍普金森压杆试验，获得岩石在动、静荷载下的基本力学参数，并基于该参数确定围岩的岩体力学参数和RHT本构模型参数。其次通过ANSYS数值模拟软件建立双侧壁导法、CD法以及三台阶法数值计算模型，并结合轴变理论分析三种施工方法对大跨度隧道开挖扰动后围岩稳定性的影响。为进一步研究围岩在爆破荷载作用下的力学响应特征，以全断面爆破法施工为基础，比较不同围岩等级下的损伤分布规律和应力波传播规律，得到的主要结论如下：　　（1）基于轴变理论分析得出：大跨度隧道围岩在开挖扰动过程中若想保证围岩的受力均匀和稳定，需要将待开挖围岩分为多个长轴比m大于1的椭圆，从而保证了最大主应力方向与长轴方向尽可能相同，更有利于围岩压力拱的形成。　　（2）基于H-B准则对大跨度隧道围岩的塑性区半径进行分析，结果表明：扰动系数D和地质强度指标GSI的正确取值对计算围岩塑性区分布尤为重要。当隧道开挖半径较大时，可通过增大支护力来抑制塑性区的扩展。　　（3）基于轴变理论和ANSYS/APDL数值模拟结果揭示了双侧壁导坑法、CD法以及三台阶法施工下的围岩稳定性规律，分析结果表明：三台阶法最不利于大跨度围岩的稳定，在上台阶开挖时会产生较大的竖向位移，存在着很多不利于围岩稳定的因素。相比较而言双侧壁导坑法能够有效地保证围岩的稳定性，但需注意在拱脚和拱肩位置处采取加固措施。CD法在开挖后的力学响应规律与双侧壁导法相似，且开挖工序更便捷，可有效缩短施工周期。双侧壁导坑法和CD法中的临时支护措施应分步进行拆除。　　（4）基于ANSYS/LS-DYNA模拟结果分析表明：在大跨度隧道施工中，对于Ⅰ级和Ⅱ级围岩而言，使用全断面爆破法具有可行性，但施工前需注意拱脚位置的加固；Ⅲ级围岩若采用该工法，需在施工前对周边围岩进行预加固处理；Ⅳ级围岩则不建议选用该工法。　　（5）通过对比研究发现：初始地应力对隧道爆破过程中的裂纹扩展起到抑制作用，围岩的损伤分布规律呈现反S型，应力波在围岩质量较好的岩体中衰减速率较快，对围岩损伤范围较小，且Ⅰ级围岩在同一位置处的应力波峰值约为Ⅳ级围岩的0.5倍左右。
作者：	田浩帆
专业：	土木工程
导师：	包太
授予学位：	硕士
授予学位单位：	贵州大学
学位年度：	2022