偏压软岩隧道开挖时空效应及合理支护时机研究

论文摘要

随着我国交通建设的快速发展,软岩地区的隧道及地下工程越来越多。由于流变是软岩的重要力学特征,许多软岩隧道大变形都与流变特征有密切关系。目前,进行隧道设计时常采用弹塑性本构模型对隧道围岩进行描述,而实际上软岩隧道具有较明显的流变特性,因此考虑软岩的流变特性对于隧道支护问题具有重要的意义。本文以重庆市桃树垭隧道为依托工程,通过现场监控量测、室内试验研究及数值模拟相结合的方法,探讨施工过程中的大变形灾害,研究了该隧道施工力学特性、初期支护及二次衬砌合理支护时机及考虑时间效应的隧道开挖面空间约束效应。论文的研究工作和成果如下:①针对国内外软岩蠕变特性的资料进行研究,对软岩蠕变试验及影响隧道大变形灾害因素进行总结,并对桃树垭隧道施工期间发生灾害进行分析。②从桃树垭隧道施工现场采取岩样,进行室内单轴压缩试验,从而获得全应力—应变曲线。基于五级加载条件下的单轴蠕变试验,获得了不同加荷等级单轴应变—时间曲线,分析了蠕变曲线随着不同加载应力水平的变化规律。根据蠕变曲线特征来选择蠕变本构模型,并采用Origin7.0软件进行蠕变参数拟合。③根据桃树垭隧道现场状况建立计算模型,分别采用弹塑性本构模型及蠕变本构模型进行模拟分析,结合现场监控量测成果进行对比,选择能较好描述现场围岩变形特征的本构模型。通过FLAC3D的数值模拟研究,分析并探讨了具有蠕变特性的软岩隧道的初期支护及二次衬砌的合理支护时机。④以FLAC3D软件作为分析工具,对桃树垭隧道建立三维数值计算模型,进行施工力学行为的模拟,对隧道围岩及支护结构进行分析,并选择一个典型断面的围岩随着开挖面的空间效应及时间效应进行分析,探讨了开挖面的空间约束作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 岩石流变试验
• 1.2.2 岩石流变本构模型及参数辨识
• 1.2.3 软岩隧道支护理论及开挖面时空效应
• 1.3 主要研究内容、研究方法及技术路线
• 1.3.1 本文主要研究内容
• 1.3.2 研究方法和技术路线
• 2 软岩流变特征与流变模型
• 2.1 软岩流变特征
• 2.2 软岩流变经验方程法
• 2.3 软岩流变模型法
• 2.4 软岩隧道围岩变形破坏特征及稳定性影响因素分析
• 2.4.1 软岩隧道围岩变形破坏特征分析
• 2.4.2 影响软岩隧道围岩稳定性因素分析
• 2.5 本章小结
• 3 桃树垭隧道监控量测及施工大变形灾害分析
• 3.1 桃树垭隧道地质概况
• 3.2 桃树垭隧道设计参数及施工方法
• 3.3 桃树垭隧道监控量测成果分析
• 3.4 桃树垭隧道施工期间灾害现象分析
• 3.5 本章小结
• 4 软岩力学特性试验与蠕变模型选取
• 4.1 岩石试件的取样与制作
• 4.2 岩石单轴抗压性能试验
• 4.2.1 影响岩石抗压强度因素分析
• 4.2.2 试验仪器及试验方法
• 4.2.3 试验数据处理方法
• 4.2.4 试验结果分析
• 4.3 岩石单轴压缩蠕变试验
• 4.3.1 影响岩石流变试验结果因素分析
• 4.3.2 试验仪器
• 4.3.3 加载方式的确定
• 4.3.4 试验步骤
• 4.3.5 试验数据处理方法
• 4.3.6 试验结果分析
• 4.4 岩石蠕变模型的选取及参数确定
• 4.4.1 岩石蠕变模型选取
• 4.4.2 Cvisc 模型参数确定
• 4.5 本章小结
• 5 偏压软岩隧道施工力学效应及合理支护时机研究
• 5.1 FLAC 软件简介及计算原理
• 5.2 数值计算模型的建立
• 5.2.1 数值计算基本假设
• 5.2.2 数值模型及计算参数
• 5.2.3 模型参数的确定
• 5.2.4 数值模拟计算过程
• 5.3 偏压软岩隧道施工力学效应
• 5.3.1 未考虑时间因素的偏压软岩隧道施工力学效应
• 5.3.2 考虑时间因素的偏压软岩隧道施工力学效应
• 5.3.3 偏压软岩隧道开挖数值模拟与现场实测结果的对比分析
• 5.4 考虑时间效应的偏压软岩隧道支护时机分析
• 5.4.1 桃树垭隧道初期支护合理支护时机分析
• 5.4.2 桃树垭隧道二次衬砌合理支护时机分析
• 5.5 本章小结
• 6 考虑时间效应的偏压软岩隧道三维开挖空间效应分析
• 6.1 数值模型的建立
• 6.1.1 模型荷载及边界条件
• 6.1.2 模型参数的确定
• 6.1.3 施工工序及计算过程
• 6.2 偏压软岩隧道围岩及支护结构应力分析
• 6.2.1 围岩应力特征
• 6.2.2 初期支护应力特征
• 6.3 偏压软岩隧道围岩与初支位移特征及空间效应分析
• 6.3.1 围岩位移特征分析
• 6.3.2 初期支护位移特征
• 6.4 本章小结
• 7 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B.作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目