软岩隧道大变形力学行为与控制技术的研究

论文摘要

本文以国家重点公路杭州至兰州线重庆奉节至巫山段马垭口隧道为研究对象,通过对软岩隧道现场监测研究和不同开挖、支护方案的数值模拟。分析了不同开挖和支护方案引起的位移场、应力场和塑性区分布状况,以及隧道围岩稳定问题,选择适合于马垭口隧道合理的开挖和支护方案,提出软岩大变形隧道的施工控制技术。得到以下主要结论:①基于现场监测资料,详细分析了马垭口软岩隧道大变形灾变前后围岩变形特征,以及初期支护的破坏形式。研究结果表明:软岩隧道具有初期支护变形量大、变形速率大、变形持续时间长、破坏形式多样,以及围岩破坏范围大等特点;特别是当支护不及时或支护结构不合理时,围岩破坏范围更大。②基于有限差分法的基本原理及特点,运用FLAC对马垭口隧道进行数值模拟。分析了不同开挖方案引起隧道围岩应力应变特征,研究结果表明:由于开挖方案的不同,即对隧道围岩不同部位卸荷顺序的不同,隧道围岩内应力集中的产生及程度、应力集中荷载的性质、塑性区产生的范围及其密度、围岩变形的部位及大小等,都存在着不同程度的差异。在软岩隧道中减少围岩扰动次数和及时封闭初期支护对控制软岩变形和塑性区开展都是非常有效的施工措施。在微台阶法、环形开挖预留核心土法、中隔墙法、交叉中隔墙法和双侧导坑法五种开挖方案中,双侧壁导坑开挖方案引起的隧道围岩变形以及应力松弛最小,应为马垭口软岩隧道较为理想的开挖方案。③运用FLAC对马垭口隧道进行数值模拟,分析了不同支护方案对软岩隧道围岩支护效果,研究结果表明:注浆喷射混凝土和锚杆注浆喷射混凝土对控制隧道拱部位移包括拱顶沉降和拱腰收敛效果比较理想;及时回填仰拱能有效的控制曲墙收敛和底鼓;适当增加锚杆长度能较好的控制隧道围岩松弛区和塑性区。④通过探讨软岩隧道变形机理,从软岩隧道开挖和支护两个方面讨论了各种开挖、支护方案的作用机理和效果;结合现场监测和数值模拟的分析结果,较深入地分析了开挖支护后软岩隧道大变形的位移场、应力场和塑性区的分布特征,从而提出了软岩隧道大变形的施工控制技术。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 图表目录
• 1 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 软岩隧道研究现状
• 1.2.1 软岩隧道支护理论研究现状
• 1.2.2 软岩隧道施工技术研究现状
• 1.2.3 软岩隧道数值分析方法研究现状
• 1.3 隧道施工监测技术及其成果应用研究现状
• 1.3.1 国内外隧道施工监测技术研究现状
• 1.3.2 隧道监测成果应用技术研究现状
• 1.4 主要研究内容及研究方法
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 拟定研究方法
• 2 软岩隧道大变形力学行为机制
• 2.1 软岩的概念
• 2.1.1 地质软岩的概念
• 2.1.2 工程软岩的概念
• 2.1.3 地质软岩和工程软岩的关系
• 2.2 软岩工程力学特性
• 2.2.1 可塑性
• 2.2.2 膨胀性
• 2.2.3 崩解性
• 2.2.4 流变性
• 2.2.5 易扰动性
• 2.3 软岩隧道变形演化机制
• 2.3.1 软岩的塑流
• 2.3.2 软岩的膨胀变形
• 2.3.3 板梁的弯曲变形
• 2.3.4 塑性楔体
• 2.3.5 结构性流变
• 2.4 软岩大变形几何场理论
• 2.4.1 极分解定理
• 2.4.2 S-R和分解定理
• 2.5 软岩隧道本构模型
• 2.6 本章小结
• 3 马垭口隧道监控量测及其成果分析
• 3.1 工程概况
• 3.1.1 工程地质概况
• 3.1.2 隧道结构设计
• 3.1.3 隧道施工方案
• 3.2 马垭口隧道大变形灾变现象
• 3.3 马垭口隧道大变形监测技术
• 3.3.1 监测目的
• 3.3.2 监测方案
• 3.3.3 监测内容
• 3.4 马垭口隧道大变形监测成果分析
• 3.4.1 马垭口隧道右线YK36+160断面监测成果分析
• 3.4.2 马垭口隧道左线ZK36+125断面灾变处理前监测成果分析
• 3.4.3 马垭口隧道左线ZK36+125断面灾变处理后监测成果分析
• 3.5 马垭口隧道大变形特征
• 3.6 本章小结
• 4 开挖方案对软岩隧道施工力学效应影响的数值分析
• 4.1 有限差分法简介
• 4.2 FLAC的算法及特点
• 4.2.1 FLAC算法基本原理
• 4.2.2 FLAC算法流程
• 4.2.3 FLAC算法特点
• 4.3 模型建立及参数选取
• 4.3.1 马垭口隧道数值模型几何边界
• 4.3.2 马垭口隧道围岩及支护参数选取
• 4.3.3 马垭口隧道数值模型
• 4.4 软岩隧道不同开挖方案数值模拟
• 4.4.1 软岩隧道开挖原则
• 4.4.2 软岩隧道开挖方案
• 4.4.3 微台阶法数值分析
• 4.4.4 环形开挖预留核心土法数值分析
• 4.4.5 中隔壁（CD）法数值分析
• 4.4.6 交叉中隔壁（CRD）法数值分析
• 4.4.7 双侧壁导坑（眼镜法）法数值分析
• 4.5 不同开挖方案围岩变形和围岩应力对比分析
• 4.5.1 拆除临时支护前围岩位移对比分析
• 4.5.2 拆除临时支护后围岩位移和围岩应力对比分析
• 4.5.3 开挖方案优选
• 4.6 本章小结
• 5 支护方案对软岩隧道施工力学效应影响的数值分析
• 5.1 软岩隧道支护原则及其方案
• 5.1.1 软岩隧道支护原则
• 5.1.2 软岩隧道支护方案
• 5.2 软岩隧道不同支护方案数值模拟
• 5.2.1 喷射混凝土支护方案数值分析
• 5.2.2 锚杆喷射混凝土支护方案数值分析
• 5.2.3 注浆喷射混凝土支护方案数值分析
• 5.2.4 喷射混凝土及时回填仰拱支护方案数值分析
• 5.2.5 注浆锚杆喷射混凝土支护方案数值分析
• 5.3 不同支护方案围岩变形和围岩应力对比分析
• 5.3.1 不同锚杆长度隧道力学行为对比分析
• 5.3.2 不同支护方案围岩变形对比分析
• 5.3.3 不同支护方案围岩应力对比分析
• 5.3.4 支护方案优选
• 5.5 本章小结
• 6 软岩隧道大变形施工控制技术
• 6.1 概述
• 6.2 软岩隧道开挖技术
• 6.2.1 台阶开挖法
• 6.2.2 分部开挖法
• 6.2.3 软岩隧道开挖注意事项
• 6.3 软岩隧道支护技术
• 6.3.1 锚杆支护
• 6.3.2 喷射混凝土支护
• 6.3.3 钢拱架支护
• 6.3.4 超前支护
• 6.3.5 注浆加固
• 6.3.6 喷射混凝土预留间隙支护
• 6.3.7 可缩式钢架支护
• 6.3.8 可缩式锚杆支护
• 6.4 软岩隧道大变形控制技术
• 6.4.1 联合支护效应
• 6.4.2 先护后挖
• 6.4.3 预防为主
• 6.4.4 施工控制技术
• 6.5 马垭口隧道大变形控制技术
• 6.6 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