详情

原文传递高地应力软岩公路隧道力学特性及衬砌施作时机研究

论文题名：	高地应力软岩公路隧道力学特性及衬砌施作时机研究
关键词：	高地应力;软岩公路隧道;室内流变试验;非线性流变模型
摘要：	近些年来，我国隧道工程界出现了许多修建在围岩条件复杂、构造地应力大的隧道工程，其中高地应力软弱围岩大变形隧道的修建难度极大。国内外学者已对高地应力软岩大变形隧道进行了大量研究，取得了较为丰硕的成果，但是就支护理论及本构模型统一与否、支护结构与围岩之间的相互作用机理、支护的最佳施作时机等方面还没有完全从理论和实践上解释清楚，也没有形成业界公认的软弱围岩的开挖、支护、监测、处治、预防的完备施工控制体系。本文以在建的渭武高速木寨岭特长公路隧道为依托工程，分析了炭质板岩的流变力学特性，建立了描述软岩流变全过程的粘弹塑性流变力学模型，利用理论解析、数值模拟和现场监测手段，对经典的收敛—约束法进行了较为深入的研究及改进。根据软弱围岩开挖后的变形特性与隧道各支护形式的刚度，构建出了围岩特性与支护特征曲线，找到了二次衬砌的最佳施作时机，对隧道的后续施工提出了指导性的建议。　　本文研究的主要内容及成果简述如下：　　（1）提出了一种快速建立复杂三维地质模型的新方法，即借助Surfer软件强大的插值功能和Matlab软件的矩阵处理功能，首先以Sufer为建模前处理平台，通过对地表及岩层三维地质高程信息的提取与转换，然后在FLAC3D6.0内置模块的基础上，通过二次编制fish语言将经由Surfer得到的模型数据进行转换，生成FLAC3D可以识别的数据文件，达到了前处理过程中大型三维地质模型的相对简捷、快速、准确建模的目的。发现建立的模型与山体实际地形形状相似度较高，从而为后续初始地应力场的顺利反演搭建了良好平台。　　（2）对隧址区域初始地应力进行了反演，通过数值计算获得了区域构造应力场。结合现场钻孔地应力实测值的拟合回归成果，对比分析了实测值和模拟值二者之间的误差，发现二者数据一致性比较高；分析地质应力云图中的三个应力等值线走向规律，可以确定最大、最小水平主应力和深度之间的正比关系；最大水平主应力值普遍相对偏高，显示出明显的水平方向优势；当地层线起伏波动较为明显时，地应力梯度差也随之增大。这些基本与实测地应力场规律一致，说明隧道区域地应力场回归得到的数据是合理的。　　（3）对于确定的常量荷载作用下，岩石试样的蠕变规律可以采用统一参数的广义开尔文模型进行较好地描述；不同荷载下的岩石蠕变规律无法采用广义开尔文模型描述，而需要采用参数非线性的流变模型来描述岩石的流变特性；考虑应力对流变非线性的影响后，引入等效应力对常规元件模型进行修正，得到的修正非线性流变模型可以更好地描述室内蠕变试验的结果。　　（4）根据二维弹塑性和粘弹塑性数值分析结果可知：隧道开挖过程中，在应力充分释放后，洞室周边的围岩塑性区发展在较短时间内达到极限，均匀分布在洞周约1倍洞径的范围内；围岩屈服区分布情况，隧道开挖终止时刻和经历一定流变时限后的无区别，代表围岩的粘性流动并未引发塑性屈服区的进一步扩展；不同流变年限的特征曲线所代表的变形量不尽相同，流变时限短的变形量小，流变时限长的则变形量大。　　（5）通过二维弹塑性及粘弹塑性数值计算首先绘制出了围岩特性曲线，根据Hoek关于洞壁径向位移与至开挖面距离之间的经验公式构造出了纵向位移曲线（LDP线），利用纵向位移曲线确定了支护设置前的洞壁径向位移，发现设置支护前拱顶处已有初始位移46mm，墙腰处已有初始位移68mm；根据木寨岭隧道各支护措施的参数及刚度计算公式，得到该设计组合支护的刚度值（斜率），由此绘制出支护特性曲线。将其与围岩特性曲线绘制于同一坐标系中，并考虑了初始位移量，得到了木寨岭公路隧道的围岩特性与支护特征曲线，并由此可推得某个既定年限的洞壁位移预测值。　　（6）在前述室内流变实验、收敛约束法研究的基础上，结合现场试验监测数据回归分析，研究了木寨岭隧道二次衬砌最佳施作时机的确定准则与方法，其中分别进行了基于支护抗力准则、变形速率准则、极限位移准则、粘弹塑性有限元分析等方法的支护时机对比分析后，最终确定了以“支护抗力最小、拱顶沉降速率0.3mm/d~0.4mm/d、墙腰净空收敛速率0.4mm/d~0.5mm/d、位移释放率取92.6%”作为施工管理判据，在此判据上计算分析得出了高地应力软岩隧道最佳的支护时机为“初支施作后38天左右，距掘进面距离为60m左右”的结论；最后对该支护时机下施作的二衬结构进行了受力数值模拟与结构安全性分析，符合预期的分析结果有效指导了隧道后期的安全施工。
作者：	轩俊杰
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	严松宏
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022