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原文传递隧道围岩承载拱结构特性及破坏机理研究

论文题名：	隧道围岩承载拱结构特性及破坏机理研究
关键词：	隧道建设;围岩稳定;应变能;折叠突变;承载拱;松动塌落
摘要：	随着新形势下国家综合立体交通网布局的不断推进，我国的隧道建设在快速发展的同时也面临着前所未有的挑战与风险。隧道工程建设的设计和施工经验表明，地下结构的稳定离不开围岩的自承能力，如果对围岩稳定性质的认识或应对不足，则极易发生坍塌破坏等灾害事故。但目前的隧道设计理论对围岩结构承载特性的理论描述尚不明确，对隧道围岩失稳破坏机理的理论研究仍处于探索阶段。为了完善围岩稳定及破坏分析的理论体系，保障隧道施工安全，需要对围岩的承载结构特性及破坏机理进行深入研究。　　本文以理论研究和数值分析为主要研究手段，结合现场试验和文献调研方法，系统性研究了围岩浅层松动范围、围岩深层承载拱结构特性、围岩承载拱结构的演化规律、隧道拱顶松动区塌落破坏理论机制、围岩承载拱结构及拱顶塌方安全分析的工程应用等内容，以期进一步完善围岩稳定及破坏分析的理论体系，为隧道设计施工主要依靠围岩、充分调动围岩自承能力提供科学依据和客观明确的结构安全分析方法。研究主要获得以下成果：　　（1）提出了考虑应变能突变的围岩浅层松动范围分析方法。考虑围岩应变软化过程中弹性卸载应变的动态变化，建立了围岩应力和变形全局分布的非迭代解析模型。根据任意位置处围岩应力和应变分布，推导了围岩中存储的应变能分布，结合围岩松动失稳的不可逆性，建立了围岩应变能随空间位置变化的折叠突变模型，从能量突变的角度分析了围岩的浅层松动破坏范围。　　（2）建立了应力重分布下围岩承载拱效应的表征依据，并给出了围岩拱结构边界的定量方法。结合拱结构发挥材料抗压的受力特征和隧道开挖前、后围岩应力单元在不同旋转角度方向的压应力变化，提出了一种围岩承载拱结构效应表征方法。用压应力升高最显著方向的压应力升高比值（RMSI-CS值）表征围岩的拱结构效应，并给出了相应的数值分析算法。考虑围岩应变能降低和承载拱效应升高过程的折叠突变模型，阐明了围岩承载拱结构内、外边界的定量方法。由于本文方法以应力单元为基本的分析模型，分析过程不受开挖边界形状和地层条件变化的影响，因此具有较好的工程实用价值。　　（3）阐明了围岩承载拱结构随工程条件变化的演化规律，提出了隧道支护参数的综合控制方法。阐明了隧道开挖过程中围岩承载拱结构随隧道空间位置推进的分阶段演化过程，将承载拱结构的空间形态演化划分为三个阶段：初期成形阶段、急剧演化阶段、稳定扩展阶段。分析了不同围岩参数变化对承载拱结构范围和矢跨比的影响，强度参数和埋深改变会使承载拱结构的范围发生变化，但不会显著改变结构的空间形态，而侧压力系数和泊松比则会对承载拱结构的形状和范围均造成显著影响。最后阐明了喷射混凝土支护参数对承载拱结构的影响，并分析了拱脚侧向维护压力与弹性模量和支护厚度参数的相互关系。　　（4）构建了围岩浅层松动区内隧道横断面顶部塌落的曲线型破坏机制。从势能变化角度揭示了围岩稳定性分析的能量机理，结合极限分析上限定理的正交法则建立了塌落破坏面附近的区域速度场，生成了对数螺线型曲线破坏机制。通过能量法分析求解，阐明了隧道拱顶塌方的曲线型破坏机理，并分析了隧道跨度和围岩强度参数对极限支护力和极限塌落范围的影响，发现围岩强度越高、隧道跨度越小则极限支护力越小，隧道顶部极限塌落曲线的形状主要是由围岩的内摩擦角决定，且内摩擦角越大则塌落范围的高跨比越小。结合现场工程实践阐明了隧道顶部塌落安全的分析方法，通过能量耗散和强度折减分析给出了隧道拱顶安全评价和支护设计建议。　　（5）提出了围岩承载拱结构的无铰拱力学分析模型，并研究了拱脚的破坏机理。考虑组成承载拱结构的围岩之间存在相互楔紧作用，拱截面上的压应力不是均匀对称分布，能够承担一定的弯矩，最后建立了围岩承载拱的无铰拱结构力学模型。基于超静定拱结构的力学分析，阐明了拱脚破坏的力学条件，提出了基于拱脚侧向维护力计算的围岩承载结构安全分析方法。结合现场工程实践阐明了隧道顶部沉降预测方法，并进一步提出了围岩初期支护时机的分析方法。
作者：	徐曈
专业：	土木工程
导师：	张顶立
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023