隧道特殊大变形段初支开裂机理及二次衬砌结构可靠度研究

论文摘要

共和隧道地质条件十分复杂,隧道施工过程中遇到了围岩破坏界于软质岩大变形和硬质岩岩爆之间的特殊地质病害。针对这一病害特点,为了弄清其病害机理,设计合理的初期支护方式,本文主要做了以下几个方面的研究工作:①对共和隧道工程地质难题进行研究,分析了共和隧道病害形式;②对共和隧道围岩的力学性质进行了试验研究,完成了围岩的单、三轴试验,饱水软化试验及蠕变试验;③应用离散元数值计算方法对隧道开裂段施工全过程进行了研究,分析了隧道围岩应力演化过程、隧道围岩可能的破坏模式、节理参数对隧道变形的影响以及隧道锚杆支护结构的受力情况等问题;④通过现场量测和试验研究,分析了隧道初期支护失稳开裂的机理;⑤研究了隧道衬砌结构的长期动力可靠性问题,并计算了隧道开挖爆破地震扰动下共和隧道大变形开裂段衬砌结构的可靠度。通过对以上内容的研究,获得了以下一些主要成果:①获得了共和隧道页岩的基本力学参数,其刚度和强度均较低,刚度为27380 MPa,单轴抗压强度为47.35MPa;②得到了页岩动弹模量和抗压强度随饱水时间的变化而变化的规律,并给出了相应的软化方程;③得到了页岩在15MPa、20 MPa、25 MPa和30 MPa恒压下的蠕变规律,并得到了相应的蠕变本构方程和参数取值;④隧道所处区域整体应力较高,最大应力为17MPa,隧道开挖后最大应力为12MPa,形成了较大范围的应力卸荷区,隧道右上部的应力明显大于左上部,偏压明显;⑤隧道破坏时层面最小厚度为0.35~0.45mm,隧道破坏位置为右拱肩,位移量为在10.8cm~14.4cm之间;⑥节理参数对隧道围岩变形影响较小;⑦锚杆长度为6.5m较合适,锚杆衬砌结构的受力在拱腰段处最大,右上部的锚杆结构受力大于左上部受力;⑧离散元能很好的模拟非连续介质力学行为,数值模拟结果与工程实际观测情况吻合良好。⑨大变形开裂段开挖初期支护后,围岩变形较为缓慢,但持续时间很长,虽然收敛速率有减小的趋势,但到最后量测时为止(50多天),试验段所有断面均处于不收敛状态,并出现纵向开裂现象,最大水平收敛达79.64mm,最大拱顶下沉值达67.45mm,试验段初期支付设计难以满足需要,且隧道偏压严重;⑩隧道试验段围岩松动范围比正常隧道要大很多(正常隧道一般小于3m),试验段锚杆设计长度为3.5m,小于隧道围岩松动范围,锚杆难以起到悬吊作用;11共和隧道的病害是由于上覆地层自重应力、顺层地层偏压、岩体微裂隙发育、岩体蠕变、饱水软化等多种因素组合影响下而产生的一种特殊的隧道地质病害,其合理初期支护方式为Ⅲ(H1);12基于单侧界限的首次超越破坏准则建立了隧道衬砌结构的动力可靠度分析模型,掌子面爆破地震对共和隧道大变形开裂段衬砌结构的动态可靠度影响甚微;13在进行结构动力可靠性设计时,采用极值概率分布函数服从瑞雷分布的计算方法更为保险。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题提出
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状及评述
• 1.3.1 围岩大变形
• 1.3.2 围岩大变形机制
• 1.3.3 围岩稳定性分析的理论研究
• 1.3.4 围岩支护理论
• 1.3.5 围岩变形的预测与监控
• 1.3.6 隧道衬砌结构长期可靠性研究
• 1.4 本文的主要工作
• 1.4.1 研究内容和目标
• 1.4.2 研究方案和技术路线
• 1.4.3 创新点
• 2 共和隧道概况及主要工程地质难题
• 2.1 工程概述
• 2.2 地层岩性
• 2.3 地质构造及地震
• 2.4 隧道水文地质
• 2.5 不良地质现象
• 2.5.1 瓦斯
• 2.5.2 顺层偏压
• 2.5.3 围岩二次变形
• 2.6 隧道围岩分级
• 2.7 工程地质难题及病害特点
• 2.7.1 工程地质难题
• 2.7.2 工程病害特点
• 2.8 本章小结
• 3 共和隧道页岩饱水软化及蠕变本构试验研究
• 3.1 共和隧道页岩基本力学性质试验
• 3.1.1 力学性能测试系统
• 3.1.2 单轴试验及分析
• 3.1.3 三轴试验及分析
• 3.1.4 力学参数
• 3.2 共和隧道页岩饱水软化试验研究
• 3.2.1 实验目的
• 3.2.2 试验方案
• 3.2.3 声波测试系统及误差分析
• 3.2.4 试验结果及分析
• 3.3 共和隧道页岩蠕变本构试验研究
• 3.4 试验结果对隧道初期支护设计的影响分析
• 3.4.1 初期支护作用机理
• 3.4.2 初期支护与围岩的相互作用
• 3.4.3 共和隧道大变形软弱段初支设计建议
• 3.5 本章小结
• 4 共和隧道大变形开裂段施工全过程离散元数值模拟研究
• 4.1 离散元概况及基本原理
• 4.1.1 离散元研究概况及特点
• 4.1.2 离散元法基本原理
• 4.2 开裂段施工全过程离散元数值模拟及分析
• 4.2.1 离散元粘性本构模型
• 4.2.2 阻尼系数选取
• 4.2.3 时步选取
• 4.2.4 共和隧道离散元几何模型及边界条件
• 4.2.5 隧道围岩应力演化分析
• 4.2.6 隧道破坏模式分析
• 4.2.7 节理参数对隧道变形的影响分析
• 4.2.8 隧道锚杆支护结构受力分析
• 4.3 本章小结
• 5 共和隧道大变形开裂段现场量测及试验研究
• 5.1 隧道动态设计原理
• 5.2 隧道量测理论及分析方法
• 5.2.1 隧道量测理论
• 5.2.2 隧道量测信息的反馈方法
• ZK41+160 试验段常规量测数据分析'>5.3 ZK41+130^ZK41+160 试验段常规量测数据分析
• 5.3.1 量测原理及方法
• 5.3.2 量测数据分析及处理
• ZK41+160 试验段钢支撑内力测试'>5.4 ZK41+130^ZK41+160 试验段钢支撑内力测试
• 5.4.1 测试方法及原理
• 5.4.2 数据分析及处理
• 5.5 锚杆轴力测试
• 5.5.1 测试原理及方法
• 5.5.2 数据处理及分析
• 5.6 隧道松动圈探测
• 5.6.1 探测原理及方法
• 5.6.2 探测结果及分析
• 5.7 共和隧道大变形开裂成因分析及合理方案确定
• 5.7.1 大变形开裂成因
• 5.7.2 大变形开裂段合理初支方案确定
• 5.8 本章小结
• 6 隧道衬砌结构长期可靠性评估模型及方法研究
• 6.1 衬砌结构的破坏准则与破坏机制
• 6.1.1 衬砌结构的破坏准则
• 6.1.2 结构的破坏机制
• 6.2 隧道衬砌结构的动力可靠度分析
• 6.2.1 随机过程的交差问题
• 6.2.2 基于泊松过程法的随机结构的首次超越可靠性分析
• 6.2.3 基于瑞雷分布法和正态分布法的动力可靠性计算
• 6.3 基于首次超越破坏准则结构动力可靠性分析
• 6.3.1 外力扰动测试系统及方法
• 6.3.2 可靠度计算示例
• 6.4 本章小结
• 7 结论及建议
• 7.1 主要结论
• 7.2 创新点
• 7.3 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者简介
• B. 作者学习期间发表的论文
• C. 作者学习期间参加的科研项目