膨胀性软岩隧道围岩与支护结构受力变形特征研究

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1、分类号:U4510710-2009021044博士学位论文膨胀性软岩隧道围岩与支护结构受力变形特征研究杨帆导师姓名职称谢永利教授申请学位级别博士学科专业名称道路与铁道工程论文提交日期2018年5月14日论文答辩日期2018年6月12日学位授予单位长安大学StudyonStressandDeformationCharacteristicsofExpansiveSoftRockTunnelofSurroundingRockandSupportStructureADissertationSubmittedfortheDegreeofDo

2、ctorCandidate：YangFanSupervisor：Prof.XieYongliChang’anUniversity，Xi’an，China摘要由于膨胀性软弱围岩存在膨胀性、崩解性、流变性、易扰动性等特点，加之在构造应力的影响下，使得隧道在施工开挖后围岩出现大变形偏压现象，不仅对围岩稳定性造成破坏，同时伴随着施工过程中对支护结构造成整体破坏。论文依托卧佛山隧道工程，通过现场监测，室内模型试验，理论分析和数值模拟相结合的方法，对膨胀性软岩隧道围岩与支护结构受力变形特征进行研究。1.通过对隧道围岩大变形定义、类型、界定、发

3、生机制及影响因素方面的研究，对在特定地质条件下，围岩与支护结构变形特征进行理论分析，并结合现场监测资料，分析得到高地应力条件下软岩大变形偏压隧道围岩与支护结构变形特征。2.为研究围岩与支护结构施工力学效应，基于对初始地应力场及围岩压力理论的分析，对工程实用计算方法获得围岩压力存在的缺陷进行论述，并对采用工程实用计算方法获得围岩压力与工程现场获得监测数据存在的差异进行分析，推导得到了弹塑性状态下深埋软弱围岩在线性摩尔-库伦强度准则及非线性Hoek-Brown强度准则下塑性区应力状态、塑性区半径及塑性区位移。3.通过围岩与支护结构相互

4、作用机理，分析地层特征曲线与支护特征曲线在upi坐标平面上不同组合，得到在接近地层特征曲线最低点隧道开挖一段时间后采用柔性支护最为合理。结合现场监测数据，由大变形偏压隧道围岩与支护结构受力特征可知，支护时机及支护刚度选择不合理对支护结构造成严重破坏。4.采用地质力学模型试验，对软岩偏压隧道进行试验研究，在不同侧压力条件下，将围岩与支护结构沿轴心进行旋转以模拟偏压现象，通过模型相似比确定模型试验围岩大变形判定标准，并通过围岩变形、围岩与衬砌结构接触压力以及衬砌结构应力分析，了解软岩偏压条件下围岩与支护结构受力变形规律，得到在偏压条

5、件下隧道施工重点监控部位。5.通过数值分析，选用摩尔-库伦弹塑性本构模型，模拟现场采用台阶法施工时，在一定水平构造应力条件下，对围岩与支护结构受力变形特征进行分析，得出围岩条件及水平构造应力对围岩与支护体系的影响关系，并分析位移变形及塑性区分布特征。结i果表明在大变形偏压条件下，支护结构受力变形在仰拱及侧壁处最为明显，并在围岩较好一侧对支护施加一定压应力，对支护造成破坏。6.对复杂围岩条件下围岩应力的弹塑性分析，提出大变形偏压隧道设计理念及支护结构基本要求。通过复合型联合支护以及2层初支体系对大变形偏压隧道的围岩稳定作用进行模拟分

6、析。关键词：公路隧道膨胀性软岩偏压支护结构数值模拟iiAbstractBecauseembeddedexpansivesoftrockexpansibility,disintegration,rheologicalproperty,easytodisturbanceandothercharacteristics,andundertheinfluenceoftectonicstress,thetunnelsurroundingrockafterexcavationconstructionappearlargedeformationb

7、iasphenomenon,notonlydamagetothestabilityofsurroundingrock,combinedwiththeconstructionofsupportingstructureintheprocessoftheoveralldamage.PaperbasedonmountainofWofotunnelengineering,throughfieldmonitoring,indoormodeltest,thetheoreticalanalysisandnumericalsimulation,th

8、emethodofcombiningtheofswellingsoftrocktunnelsurroundingrockandsupportstructuredeformationcharacteristicswerestudied.1.Thela