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原文传递土质隧道深浅埋界定及围岩压力计算方法研究

论文题名：	土质隧道深浅埋界定及围岩压力计算方法研究
关键词：	土质隧道;深浅埋界定;围岩压力;形状改变比能;数值分析;室内试验
摘要：	围岩压力是隧道结构计算时的重要依据，其在深埋隧道和浅埋隧道中具有不同的计算方法。目前土质隧道深、浅埋界定方法是基于无支护结构的松弛荷载理论，以是否形成承载拱作为深浅埋判定条件，未考虑围岩承载能力和应力释放率对承载拱的影响，缺少土在不同应力释放率下及无自承能力时围岩压力计算方法；设计中围岩压力未考虑支护，隧道在实际使用中具有支护结构，支护结构强弱会改变围岩压力状态，使得设计与实际使用过程未完全一致。为使隧道深浅埋界定、围岩稳定性评价及围岩压力计算方法三者评价指标具有延续性，并探索围岩承载能力和应力释放率对土质隧道围岩压力的影响特性，本文通过统计分析、理论分析、数值计算、室内试验等研究了隧道埋深、围岩稳定性、应力释放率对土质隧道围岩应力影响特性，形成土质隧道围岩压力计算方法，并通过现场测试结果进行验证。主要成果如下：　　（1）基于统计分析，定性定量研究了埋深与隧道变形和围岩压力关系。浅埋隧道中埋深对隧道变形和围岩压力影响不显著，深埋隧道随埋深增加隧道变形和围岩压力逐渐增大，围岩压力在浅埋隧道中表现为松散压力，在深埋隧道表现为形变压力。根据埋深对深埋隧道和浅埋隧道围岩压力影响显著性水平差异，提出基于统计分析的隧道深浅埋界定和围岩压力计算方法。　　（2）通过对比岩质与土质材料物性差异，分析了物理力学参数对围岩应力的影响特性。岩质围岩与土质围岩间弹性模量和黏聚力差异较大，弹性模量主要影响围岩变形，进而影响围岩应力释放及围岩应力状态。黏聚力主要在围岩进入塑性时影响围岩应力及塑性区范围，黏聚力与初始应力的比值影响围岩应力状态及最小支护力大小。通过分析公路隧道设计规范和太沙基公式中岩土材料参数对围岩压力计算的影响，研究了其在土质隧道中的适用性。　　（3）通过数值分析，研究了各应力指标间关系，分析了基于形状改变比能指标的拱顶围岩应力分布特性。对比研究了圆形隧道和矩形隧道拱顶轴线形状改变比能随距隧道拱顶距离变化特性，矩形隧道拱顶典型形状改变比能随距隧道拱顶距离增加依次经历减小、增大、再减小、再增大、再减小的过程；圆形隧道典型拱顶形状改变比能随距隧道拱顶距离增加依次经历增大、减小、再增大、再减小的过程，依此特性将拱顶上方隧道围岩依次分为破坏区、承载区、应力释放区和和自重影响区。通过形状改变比能随埋深变化特性，提出了以形状改变比能作为评判指标、以是否出现完整应力释放区为准则的定性与定量相结合的深浅埋界定方法。　　（4）依托数值分析与室内试验，研究了隧道开挖过程中围岩应力的发展机理，分析了围岩应力状态变化过程，提出了围岩承载能力判别方法。通过室内试验将隧道开挖支护后应力自适应过程围岩应力变化分为三个阶段，根据各阶段应力的变化特性，提出了一种围岩应力状态评判方法。通过数值分析，研究了形状改变比能随围岩应力释率的变化特性，提出了围岩承载能力定性与定量评价方法。　　（5）通过数值分析研究了支护结构对围岩应力状态的影响及松动区围岩压力特性与作用机理。讨论了土质隧道围岩压力计算方法适应性，提出了考虑埋深、承载能力、应力释放率的围岩压力计算流程，进行了围岩压力计算方法分类，提出基于形状改变比能的深埋土质隧道围岩压力计算方法。通过大酉山隧道现场实测数据进行了深浅埋界定及围岩压力计算验证。
作者：	胡昭
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	谢永利
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022