详情

原文传递极高地应力软岩隧道能量耗散变形与控制研究

论文题名：	极高地应力软岩隧道能量耗散变形与控制研究
关键词：	极高地应力;软岩隧道;能量演化;耗散变形;超前支护
摘要：	围岩滑塌、不稳定大变形、支护结构扭曲破坏等极高地应力软岩隧道建设中普遍出现的工程事故，本质上是能量驱动作用下的发生围岩、支护结构失稳变形现象。伴随着地层围岩的开挖、破碎、掉落以及洞室临空面的形成，原始岩体中存储的巨大能量，将以多种形式进行瞬时或长久的释放、传递。因此，基于能量角度，来探究极高地应力软岩隧道中的围岩变形特征，可区别于传统的围岩变形规律的研究方法，为该类特殊地质条件下隧道施工出现的工程问题提供新的思考角度与方法。本文以宁缠隧道为背景，针对极高地应力软岩隧道的能量耗散规律和控制措施，并结合能量公式分析、模型试验系统、数值模拟、现场监测等方法展开研究，主要成果如下所述：　　（1）在围岩单元变形破坏时能量演化、耗散的已有研究基础上，归纳分析围岩能量与主应力、主应变、弹性应变等变量的数学关系，从而得出围岩单元全变形能、弹性变形能的计算方法，进而差值得到单元耗散变形能。将能量数学关系与FLAC3D软件结合应用，进而对整体、部分围岩的能量演化规律展开研究。并基于能量角度，提出隧道的加固措施、支护方案。　　（2）在地应力、地质条件、机械扰动的耦合作用下，隧道开挖引起各处围岩发生不同程度的能量积聚与耗散；拱腰、拱顶部位最为突出，各监测断面围岩全变形能、耗散变形能先期剧烈增大、后期缓慢减小并趋于稳定，弹性变形能先陡崖式减小，后进入长期稳定状态。故，根据能量的转换、传递，以及围岩单元主应力的变化特征，可判断现场左拱腰、拱顶易发生严重破坏，需对此施做超前预支护与加强衬砌结构强度刚度。　　（3）为突破相似材料研制时组料过多而引起的繁琐步骤，对比确定兰州黄土、石英砂石膏、普通硅酸盐水泥、机油、纯净水为组料，以原岩弹性模量、密度、黏聚力、内摩擦角等为目标参数，通过正交试验确定力学参数合适的组料配比。其次，设计隧道模型系统尺寸为2m×0.8m×2m，该系统由边界子系统、荷载子系统、监测采集子系统等组成。以模拟地层应力状态与隧道开挖过程，实时监测不同断面、范围处围岩的应力应变情况。　　（4）开挖掌子面与监测断面的距离远近，决定了围岩变形的剧烈与否。其一：随着掌子面与监测断面距离的减小，断面各测点围岩变形越加剧烈；反之，随着距离增大，围岩变形趋于缓和。且，各监测断面上距离隧道0.3D范围处的拱腰收敛终值为14cm左右；拱顶围岩沉降终值为15cm左右。差别在于，随掌子面开挖呈现不同的时程曲线。　　（5）针对宁缠隧道围岩变形的变形量值大、速度快、持续时间久、流变性等特点，提出加密布设超前支护，系统锚杆、锁脚锚杆进行梅花式交错布设且加大锚杆长度，更换大刚度、高强度的初支钢拱架，增大二衬混凝土厚度。其次，在中上台阶开挖后施做临时仰拱等支护措施。优化支护方案后的现场试验段围岩变形，得到较大程度的控制与改善，提高了现场安全施工的安全性。
作者：	范长海
专业：	道路与铁道工程
导师：	陈志敏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022