详情

原文传递水分运移下黄土隧道浅埋段围岩及支护结构力学效应研究

论文题名：	水分运移下黄土隧道浅埋段围岩及支护结构力学效应研究
关键词：	黄土隧道;支护结构;数值模拟;力学效应;支护结构受力
摘要：	黄土作为一种特殊土，其工程特性复杂多样，其最为显著的特点就是遇水会出现强度大幅度骤降和变形大幅度突增，即所谓的水敏性。由于地下水的存在，黄土隧道在建设过程中随着隧道的开挖，不可避免的会导致隧道区域内渗流场的改变，从而改变围岩的含水率，影响洞周附近围岩的变形和应力状态。因此对于地下水运移过程中的围岩应力和围岩变形的研究显得十分重要。本文依托通定高速公路团结隧道具体工程实际，通过文献调研、现场监测、有限元数值模拟等方法，对水分运移下黄土隧道浅埋段围岩及支护结构力学效应进行研究，其主要研究成果如下：　　(1)通过在团结隧道出口浅埋段设置试验监测段，对隧道洞周范围孔隙水压力、围岩变形、围岩应力、以及支护结构受力的长期监测，得到各自的分布特征和变化规律。孔隙水压力拱脚处大于拱顶处，在支护结构施作完成后，均有小幅度的增大，增幅在1.0%~10.2%；围岩变形主要以竖向沉降为主，上中台阶开挖后位移变化较大；围岩压力分布特征在支护结构施作完成后呈现上小下大，拱顶处的围岩压力在后期由缓慢增大的趋势；初期支护结构的受力主要受开挖步骤的影响较大，并在开挖后起到很好的支护围岩的作用；二次衬砌的受力相对滞后。　　(2)通过MidasGTS/NX对试验段隧道进行渗流—应力耦合模拟，对于考虑和不考虑水分运移两种工况进行对比分析，结果表明，是否考虑水分运移对于围岩应力随施工步骤的变化规律影响不大，其影响主要表现在开挖过程中围岩应力的变化以及围岩应力最终分布。考虑水分运移时，相对于不考虑水分运移，各控制点竖向有效应力均减小。拱顶、拱肩、拱墙、拱腰、拱脚、拱底分别减小了0.05%、13%、19%、5%、16%、36%。另外，上台阶开挖对竖向有效应力的影响较明显，尤其在拱墙、拱腰、拱脚处，其围岩应力的变化率较不考虑水分运移时分别增大了16.8%、15.1%、11.9%，其它开挖阶段水分运移的影响不明显。同时，支护结构的受力均有所增大，其中拱顶处的变化较大，但最不利位置位于拱脚处。　　(3)考虑水分运移时，孔隙水压力沿着开挖面由内向外增大，在拱顶处，由于注浆加固区的存在，影响了孔隙水压分布，孔隙水压等值线整体呈现漏斗状；地下水位变动对拱顶和拱肩处的影响较大。由于孔隙水压力的影响，监测断面处的竖向位移最大值增加了17.2%，拱腰处水平收敛增加了52.3%。　　(4)通过对不同地下水位条件下的数值模拟，研究了围岩竖向位移、水平收敛、支护结构各关键测点的围岩压力与内力。结果显示，随着水位从-5m升高到10m(距拱顶的距离)过程中，围岩变形持续增大；围岩竖向有效应力减小，减小幅度在-3.6~-28.9kPa之间。水平有效应力在不同的部位表现出不同的规律，但变化范围不是很大，其变化值在-8.4~9.1kPa之间。支护结构的内力变化较小，相比其他测点拱顶处的内力值变化较大。　　(5)针对不同的加固措施进行模拟分析，结果表明：超前管棚支护下拱顶沉降减小了16.2%。加固区围岩应力增大，使得加固区上方出现了拉应力，但数值较小。在超前管棚支护下支护结构的受力明显减小，轴力最大值减小了19.8%；拱肩处弯矩减小了5.9%，拱腰处弯矩减小了5.4%。加固区的存在，大大加强了围岩的自稳能力。
作者：	师凯强
专业：	道路与铁道工程
导师：	夏琼;黄志军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022