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围岩蠕变特性对高速铁路泥岩隧道仰拱底鼓的影响研究
| 论文题名： | 围岩蠕变特性对高速铁路泥岩隧道仰拱底鼓的影响研究 |
| 关键词： | 泥岩隧道;仰拱底鼓;反演分析;数值模拟;锚杆支护 |
| 摘要： | 泥岩是近地表分布最常见的岩石类型，在我国也有广泛分布。泥岩地区修建的高速铁路隧道，在建设或运营过程中都出现了很多仰拱底鼓病害，其往往是多种因素共同作用的结果，而泥岩的长期蠕变是导致隧道底鼓的重要原因。以某客专泥岩隧道为工程依托，通过文献调研、理论计算与数值模拟相结合的方法，总结分析了仰拱底鼓的原因、仰拱底鼓量及仰拱结构内力的计算公式。根据泥岩的蠕变特性曲线，选取Burgers模型作为蠕变本构模型，并结合现场监测数据，反演得到其蠕变参数。基于此，利用有限差分软件模拟研究不同埋深下高速铁路泥岩隧道的受力变形随时间的变化规律。结合工程实践，选用锚杆支护作为底鼓控制措施，并对加固效果进行分析评价。主要工作及研究结果如下： （1）通过对国内典型的高速铁路泥岩隧道仰拱底鼓案例进行统计分析，总结出仰拱底鼓的主要影响因素、破坏形式及控制对策。基于仰拱底鼓的本质原因，对隧道基底反力、仰拱结构内力及仰拱底鼓量的计算公式进行了归纳整理。 （2）根据既有泥质岩蠕变特性试验曲线，选取Burgers模型作为蠕变本构模型，基于位移反分析法，并结合圆形隧道粘弹性位移解，选取4d、10d、16d及21d的现场实测数据，反演得到围岩蠕变参数。基于此，通过理论计算与现场监测的对比分析来验证反演参数的可靠性。 （3）利用有限差分法对隧道围岩蠕变进行模拟研究，从计算结果来看，围岩不断向洞内发生变形，隧道的拱顶沉降、水平收敛和底鼓变形随着时间的增加一直在增大，但蠕变速率在大幅降低，并最终趋于收敛。围岩变形大致经历了三个阶段：瞬时变形阶段、衰减蠕变阶段与稳定蠕变阶段。且围岩的蠕变变形主要发生在前10年，在之后的服役期变形增长很缓慢并逐渐收敛。而仰拱结构内力随着蠕变时间增加同样在增大，并在蠕变一定年限后，仰拱填充中心的拉应力将超过混凝土的抗拉强度，导致仰拱填充沿中心位置开裂。而数值模拟结果与现场底鼓变形监测曲线基本一致，说明数值模拟的模拟方法、计算参数与结果是合理可靠的。 （4）结合目前施工中常用的仰拱底鼓控制对策，并从施工可靠性与运营安全性的角度出发，选用锚杆支护作为隧底加固措施。通过改变锚杆的长度与间距来评价锚杆支护效果，计算结果表明，锚杆的最优长度为5m，最佳间距为0.9~1.2m。在此基础上，通过提高仰拱的强度来进一步抑制仰拱的底鼓变形，并且建议仰拱支护强度选用C30~C40。因此，采用锚杆支护与仰拱加强相组合的方法可以显著改善隧底围岩稳定性，从而保证隧道耐久性及安全性。 |
| 作者： | 周稳弟 |
| 专业： | 道路与铁道工程 |
| 导师： | 梁庆国 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 兰州交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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