软岩隧道支护设计优化研究

论文摘要

随着高速公路和铁路建设的快速发展,软岩隧道工程逐渐增多,但软岩隧道施工中暴露出支护参数确定难、支护施作时机选择难等问题,一直困扰着软岩隧道支护技术的应用与发展。本文在总结国内外软岩隧道支护理论发展的基础上,分析了软岩的工程特性、软岩隧道失稳和变形的力学机制、软岩隧道支护作用机理、软岩隧道支护优化理论,在此基础上应用MIDAS/GTS有限元软件以一软岩隧道为研究对象,通过建立平面有限元模型模拟分析了该软岩隧道开挖和支护全过程,并对此软岩隧道支护参数、支护方式进行优化研究。引入了荷载释放系数模拟软岩隧道开挖中围岩应力释放时空效应,以最能直观反映开挖围岩松动变形情况的围岩变形位移量为主要控制参数,对软岩隧道支护的施作时机进行优化研究,得到了软岩隧道支护最优施作时机,并在此基础上通过数值模拟分析了不同支护方式对软岩隧道开挖围岩变形的影响、软岩隧道支护中喷射混凝土强度等级对软岩隧道开挖围岩变形的影响、锚杆支护参数(锚杆长度、直径、间排距)对软岩隧道开挖围岩变形的影响,最后在前期分析的基础上,提出了软岩隧道最优支护参数用于软岩隧道支护。以上研究成果可为类似地质条件下软弱围岩隧道的设计和施工提供科学的理论依据和指导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 软岩隧道支护研究现状及发展方向
• 1.3 软岩隧道支护存在问题
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.5 本章小结
• 2 软岩隧道支护作用机理
• 2.1 软岩的定义
• 2.2 软岩的力学属性
• 2.3 软岩隧道失稳的力学机理
• 2.3.1 软岩隧道变形的力学机制
• 2.3.2 软岩隧道变形特性的影响因素
• 2.4 软岩变形特点
• 2.5 软岩隧道支护结构特点
• 2.6 软岩隧道支护结构的作用机理
• 2.6.1 锚杆加固围岩机理
• 2.6.2 喷射混凝土作用机理
• 2.6.3 钢支撑作用机理
• 2.6.4 二次衬砌支护作用机理
• 2.7 本章小结
• 3 软岩隧道支护设计优化理论
• 3.1 软岩隧道支护优化原理
• 3.1.1 软岩隧道支护基本原理
• 3.1.2 优化支护最佳时间和最佳时段
• 3.2 软岩隧道支护优化方法
• 3.2.1 软岩流变控制原理
• 3.2.2 软岩最优支护计算基本参数的确定
• 3.2.3 支护前围岩应力场的求解
• 3.2.4 稳定蠕变准则
• 3.2.5 求最优（小）支护力
• 3.2.6 求围岩蠕变稳定时的最大变形量
• 3.3 软岩隧道支护设计的基本原则
• 3.3.1 “对症下药”原则
• 3.3.2 过程原则
• 3.3.3 塑性圈原则
• 3.3.4 优化原则
• 3.4 软岩支护设计方法
• 3.5 本章小结
• 4 软岩隧道支护设计优化模拟研究
• 4.1 有限元分析软件MIDAS/GTS 介绍
• 4.2 屈服准则选择
• 4.2.1 摩尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则
• 4.2.2 特雷斯卡（Tresca）准则
• 4.2.3 Ziekniewicz-Pande 准则
• 4.2.4 Mises 准则
• 4.2.5 双剪应力及广义双剪应力准则
• 4.2.6 Lade-Dunean 准则和Lade 准则
• 4.2.7 Drucker-Prager 准则
• 4.2.8 岩土类材料屈服与破坏特征
• 4.3 计算模型的建立
• 4.3.1 支护措施的处理
• 4.3.2 模型计算参数的选取
• 4.3.3 计算模型的网格建立与划分
• 4.3.4 荷载释放系数的实现
• 4.3.5 计算步骤
• 4.4 隧道支护数值模拟研究
• 4.4.1 隧道开挖支护结果及分析
• 4.4.2 软岩隧道支护时间优化研究
• 4.4.3 软岩隧道支护形式优化研究
• 4.4.4 混凝土支护强度优化研究
• 4.4.5 锚杆支护参数优化研究
• 4.5 本章小结
• 5 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录