【博士】隧道收斂約束法的理論研究與應用【2009】

內容簡介

　　學科專業(yè)：橋梁與隧道工程　　授予學位：博士　　學位授予單位：華中科技大學　　學位年度： 2009年　　長期以來，作用在支護結構的圍巖荷載一直不太明確，原因在于隧道開挖是一個由三維空間與時間組成的四維問題。針對這一復雜問題，有時即使采用三維數(shù)值模擬，都難以達到預期效果。然而，使用收斂約束法卻成為上述問題分析的有效途徑。收斂約束法是近三十年發(fā)展起來的一種新興支護設計方法，與傳統(tǒng)的設計方法不同，該方法重點考察的是代表支護約束壓力作用下的巖層行為，其基本原則是：　　支護的設計目的是穩(wěn)定圍巖運動，而不是承受圍巖荷載。　　收斂約束法基本理論的三大組成部分分別是圍巖特性曲線、支護特性曲線以及縱斷面變形曲線，其中圍巖特性曲線表示圍巖收斂對支護的需求特性，支護特性曲線表示支護壓力對圍巖的約束特性，縱斷面曲線表示開挖面的空間約束行為。本文主要研究了這三條曲線的繪制方法及其相關理論，并將它們應用于十漫高速公路的二道埡隧道，分析了該隧道的壓力與收斂量測數(shù)據(jù)，檢驗了收斂約束法的應用效果。本文主要完成以下幾個方面的工作：　　(1) 利用圖示法闡述了收斂約束法的基本原理?；谶B續(xù)介質理論，分析了隧道開挖前后的圍巖應力與破壞特征，研究了支護的基本功用與設計要點。通過圍巖與支護特性曲線的平衡點獲得了支護壓力的求解公式?！　?2) 探討了用于彈塑性分析的理想彈塑性、應變軟化以及彈脆塑性巖體破壞后的變形特征。研究了不同圍巖彈塑性邊界的應力與位移的邊界條件。研究表明，理想彈塑性以及應變軟化圍巖的彈塑性邊界應力與位移連續(xù)，而彈脆塑性圍巖的彈塑性邊界徑向應力與位移連續(xù)，但切向應力存在突變。　　(3) 對二維軸對稱平面應變模型進行了彈塑性分析。基于自相似理論，推導了用于求解靜水應力場的圓形洞室周邊應力與位移封閉解的微分方程組，給出了滿足線性Mohr-Coulomb 與非線性Hoek-Brown 屈服準則的求解常數(shù)公式，編制了相應的計算程序，獲得了不同巖體模型的典型圍巖特性曲線?！　?4) 基于彈塑性分析，提出了一種計算理想彈塑性與彈脆塑性巖體的等效Mohr-Coulomb 強度參數(shù)的方法，并與其它兩種方法進行了比較。研究結果表明，該方法計算出的Mohr-Coulomb 參數(shù)可較好地用于軸對稱圓形隧道的彈塑性分析，并能快速繪制圍巖特性曲線?！　?5) 基于彈性厚壁筒理論，推導出圓形混凝土單層和復合式襯砌剛度與最大支護壓力的計算公式。利用收斂約束原理分析了復合式支護與圍巖之間的相互作用關系。結果表明，在后期忽略初期支護的作用效果而僅考慮二次襯砌的支護作用，得到的最終支護壓力比考慮初期支護作用時低，但二次襯砌所需承受的圍巖壓力要大，因此更加保守?！　?6) 基于三維數(shù)值模擬，研究了巖體強度參數(shù)對約束損失的影響，得到了位移釋放率隨膨脹角、摩擦角以及粘聚力的變化規(guī)律。巖體膨脹角對位移釋放率的影響較大，使用收斂約束法分析的支護壓力較非膨脹性巖體大。摩擦角對開挖面后方斷面的位移釋放率影響明顯，但對開挖面前方斷面影響不大。粘聚力大小對位移釋放率影響不大。　　(7) 針對二道埡隧道不同類別圍巖與支護特性，繪出了其收斂約束曲線，并對圍巖壓力收斂量測數(shù)據(jù)進行了分析與研究。結果表明，收斂約束法計算的圍巖壓力與實測壓力較為接近，而且運用該方法合理闡釋了隧道初支變形出現(xiàn)異常的原因。研究工作不僅為本隧道工程建設提供了指導，而且可為類似地下工程的建設提供參考?！　?

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