深埋隧道复合支护与围岩相互作用分析

论文摘要

深埋隧道在开挖支护过程中经常遇到大变形、高地应力岩爆甚至拱顶塌方等工程问题,支护结构在高地应力条件下往往需要承受很大的支护压力,因此,对支护结构与围岩的相互作用进行深入研究,优化分析支护结构的设计参数和施作时机对提高工程安全性和经济性具有重要意义。本文以连云港后云台山公路隧道为工程背景,在系统总结和分析围岩与支护结构相互作用机理及围岩稳定性分析理论基础上,对隧道开挖支护过程进行了多种工况的数值模拟。主要内容和取得的成果包括以下几点:(1)利用FLAC3D建立数值模型,对圆形断面、矩形断面、直墙圆拱形断面以及曲墙式断面这四种不同隧道断面的位移场和应力场进行分析比较,确定断面形式;对II～V级围岩在六种不同埋深下的无支护开挖进行数值模拟,围岩参数依据相关规范分级标准确定,了解无支护开挖下各级围岩的洞周位移及应力变化情况,为复合支护设计分析提供依据。(2)根据各工况模拟结果,绘制隧道拱顶纵向沉降曲线(LDP)和围岩收敛曲线(GRC),并与经验公式比较分析,模拟结果与理论公式基本相符。总结各级围岩开挖面收敛比随埋深变化规律,了解隧道开挖引起的时空效应,通过隧道拱顶纵向沉降曲线为确定支护初始位移提供依据;分析各级围岩塑性区和塑性应力随埋深变化情况,了解围岩的破坏情况,应力集中系数随埋深和围岩级别的变化情况,支护结构所承受的压力介于塑性压力和最小围岩压力之间。(3)针对隧道工程区岩体取样,在室内进行岩石单轴抗压强度试验和三轴压缩试验,绘制相应的应力–应变关系曲线和莫尔圆,分析岩石试样的变形及强度特征,确定围岩的主要物理力学参数,为数值模拟奠定试验基础。(4)根据后云台山隧道设计资料和围岩参数,针对不同锚杆长度、锚杆间距、锚杆直径进行模拟分析,结果表明三者对围岩位移影响能力高低依次为:锚杆长度>锚杆间距>锚杆直径;对支护结构预设计方案进行模拟,根据围岩与支护结构相互作用关系,分析预设计方案和隧道结构的稳定性,并进行安全性评价,模拟结果表明隧道围岩是稳定的,结构安全性满足设计要求。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外深埋隧道建设现状
• 1.3 隧道围岩与复合支护相互作用理论研究现状
• 1.4 隧道围岩稳定性分析方法研究现状
• 1.4.1 解析法
• 1.4.2 围岩分类法
• 1.4.3 图解分析法
• 1.4.4 数值模拟法
• 1.5 本文的研究内容与方法
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究方法
• 第二章 后云台山隧道岩体地质环境及力学试验研究
• 2.1 工程概况
• 2.2 工程地质环境
• 2.2.1 地形地貌
• 2.2.2 气象
• 2.2.3 地质构造
• 2.2.4 地层岩性
• 2.2.5 区域水文地质条件
• 2.2.6 地震
• 2.3 隧道洞室围岩初步分级
• 2.4 试样加工与试验设备
• 2.4.1 试样加工
• 2.4.2 试验设备
• 2.5 单轴抗压强度试验及应力–应变曲线
• 2.5.1 岩石应力–应变全过程曲线
• 2.5.2 岩石单轴压缩条件下的变形分析
• 2.5.3 岩石的单轴抗压强度
• 2.6 岩石三轴压缩试验
• 2.6.1 岩石的三轴应力–应变关系曲线
• 2.6.2 岩石在三轴压缩条件下的变形分析
• 2.6.3 岩石试样的粘聚力和内摩擦角
• 2.7 本章小结
• 第三章 不同断面形状不同级别围岩稳定性分析
• 3D 软件简介'>3.1 有限差分程序FLAC^3D软件简介
• 3D 的基本原理'>3.1.1 FLAC^3D的基本原理
• 3D 的材料模型'>3.1.2 FLAC^3D的材料模型
• 3.2 不同断面形状围岩稳定性分析
• 3.2.1 圆形断面
• 3.2.2 矩形断面
• 3.2.3 直墙圆拱形断面
• 3.2.4 曲墙式断面
• 3.2.5 应力集中系数
• 3.3 围岩分级与模型建立
• 3.4 隧道拱顶纵向沉降曲线（LDP）
• 3.5 围岩收敛曲线（GRC）
• 3.6 应力集中分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 后云台山公路隧道围岩稳定性数值模拟
• 4.1 工程背景
• 4.2 锚杆参数计算分析
• 4.2.1 计算模型的建立
• 4.2.2 围岩参数及锚杆计算方案
• 4.2.3 不同锚杆参数计算结果
• 4.3 预设计支护方案数值模拟分析
• 4.3.1 位移场
• 4.3.2 应力场
• 4.3.3 塑性区
• 4.4 稳定性评价
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 存在的问题和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 上海交通大学学位论文答辩决议书