流变软岩中隧道支护-围岩相互作用关系研究

发布时间：2020-07-15 20:41

【摘要】：目前国内外在深部高地应力软岩中修建隧道的案例逐渐增多,但大多隧道在修建时会产生较大的围岩变形,运营期间衬砌结构出现较大变形甚至开裂现象。软弱岩体一般具有较强的流变性,软岩中隧道结构表现出随时间变化的变形、破坏一般都主要与围岩的强流变性有关。在流变性较强的软岩中进行隧道支护设计时不仅需要考虑围岩与支护间作用的瞬时性力学行为,更应采用流变力学理论对“围岩-支护”作用进行长期时效考虑。然而,如何合理地考虑围岩流变行为,准确的预测围岩-支护作用间长期动态关系,已成为软岩隧道急待解决的问题。本文以流变软岩中隧道的修建与长期支护设计研究为背景,针对当前对流变岩体中隧道围岩-支护设计理论研究的不足与软岩流变物理相似模拟方法研究的匮乏,采用理论解析与相似材料模拟等手段,对黏弹性、黏弹-塑性岩体中隧道围岩-支护相互作用的时效特性及考虑软岩流变特性的物理模拟方法进行了一系列研究,主要完成了以下内容:(1)针对静水应力场中圆形隧道,推导出考虑掌子面连续推进时引起的应力释放效应与岩体流变效应耦合作用下的围岩-支护相互作用黏弹性解析解。同时,假定围岩分别为广义开尔文体(H-K)与Burgers体,通过拉普拉斯变换及积分变换方法求解出两种本构下围岩的变形、应力及支护力的具体时效表达。(2)在隧道掌子面连续推进时的黏弹性解答基础上,针对围岩服从广义开尔文模型(H-K)与Burgers模型进行了应力释放参数(m,α)、支护滞后时间t0、支护刚度Ks以及围岩本构参数的研究,并由此得到各参数影响下围岩应力、变形及支护力变化关系。(3)基于隧道无掌子面影响时的黏弹性解答,对黏弹体中“收敛-约束法”进行了研究。研究表明,黏弹体中“收敛-约束法”围岩特征曲线(GRC)为一系列与时间相关的曲线簇,传统意义上支护特征曲线与围岩特征曲线相交的“平衡点”为一系列动态点。并且,由于传统的围岩特征曲线(GRC)和支护特征曲线(SCC)未考虑围岩-支护之间的耦合作用,因此重新定义了考虑围岩-支护耦合作用时的围岩特征曲线(S-GRC),并以广义开尔文和Burgers黏弹体进行分析。最终分析表明,按照传统的GRC与SCC曲线确定的围岩-支护作用的“平衡点”明显低估了支护结构的受力,以此进行隧道支护设计时,支护结构的安全性并不能得到有效保证。(4)针对静水应力场中掌子面停止推进后的圆形无支护和支护隧道,在掌子面连续推进的解答基础上,推导出当隧道掌子面推进于某处停止推进时围岩与支护间相互作用的时效解答。并基于广义开尔文(H-K)和Burgers黏弹体的解答,分析了隧道纵断面各点围岩收敛位移及支护力随时间与空间的变化规律,进而揭示了隧道纵断面上掌子面的约束效应与围岩蠕变效应对围岩收敛变形与支护力的耦合控制机理。(5)针对非静水应力场中圆形隧道,推导出隧道衬砌与围岩间光滑接触和完全接触条件下的黏弹性通解,所得到的理论解适用于所有线性元件模型。当围岩为广义开尔文体(H-K),且侧压力系数λ=0.5时,研究结果表明,两种接触条件,围岩的位移、衬砌的应力、位移与内力沿环向分布规律均有较大不同,且随时间增长,二者相差越大。(6)针对静水应力场下的黏弹-塑性岩体,将隧道围岩与支护作用的时空演化特性分为掌子面影响的弹塑性阶段以及蠕变影响阶段,并通过对两个阶段支护与围岩间耦合求解,得到围岩与支护作用的全过程演化关系。最终,将理论解答应用于瑞士 Mont Terri隧道的超前辅助隧道中,理论计算结果与实际监测数据变化规律基本相符。(7)以精铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料,酒精松香溶液为胶结剂,液压油为黏滞剂,研制出一种新型软岩流变相似材料(IBSRO)。并以Burgers黏弹模型与西原黏弹塑性模型对该相似材料的蠕变特性进行了拟合与参数分析;且当为Burgers黏弹模型时,基于多元线性回归分析提出了该相似材料配比的确定方法。总体研究表明,该相似材料强度低,流变性强,不仅可以模拟软岩瞬时的弹塑性性质,也能很好模拟软岩流变特性。该新材料为软岩地下工程的瞬时与长期稳定模型试验提供了保证。(8)基于研制的新型软岩流变相似材料,对神华新街台格庙矿区软弱粉砂质泥岩中盾构斜井结构与围岩间瞬时及长期时效作用进行了模型试验探究。模型试验结果表明,地层荷载作用下的围岩与管片衬砌间作用存在瞬时性与长期时效性。在试验各级加载下,支护力、变形及内力均随时间增大直至达到稳定,且地层荷载越大,地层流变性越强,围岩与衬砌间时效作用越明显。对应地层荷载3阶段,各阶段支护所受流变压力比例范围分别为12.1%～33.8%,31.8%～51.1%,28.9%～56.3%。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.7
【图文】：

放射性废物管理,研究实验室,法国,国家

？目前国内外在深部高地应力软岩、极软岩及膨胀岩中修建案例逐渐增多，但很多隧逡逑道修建过程的围岩出现较大的挤压大变形，而建完后运营时间一段时间后衬砌结构变形逡逑依旧增大以致开裂。例如，法国的Ｌｙｏｎ－ＴｕｒｉｎＢａｓｅＴｕｎｎｅｌ［９－１１］，如图１－１，当施工过程逡逑中遇到煤岩及黏质页岩时，隧道产生近１０００ｍｍ的位移收敛量，导致洞径不足而不得不逡逑进行二次扩挖，扩挖后初衬再次挤压破坏，４５０天后二衬上支护压力逐渐攀升至８邋ＭＰａ。逡逑再如法国国家放射性废物管理署地下研宄实验室的ＧＣＳ通道［１２＇１３］（图１－２），其修建于逡逑Ｃａｌｌｏｖｏ－Ｏｘｆｏｒｄｉａｎ粘土岩中，由于柂道洞径较小（Ｄ＝４．６ｍ）且围岩条件相对较好，柂道逡逑仅施作了喷锚式初期支护，后期对初支竖向和水平收敛变形长期监测表明，３年内硐室逡逑累计变形量不断增加，表现出明显的时间效应。而在我国，近年来隧道修建中遇到强流逡逑变性软岩的案例也逐渐增多。例如木寨岭隧道［１４＿１６］

曲线,隧道,放射性废物管理,研究实验室

（ａ）隧道施工概貌逦（ｂ）各断面竖向与水平收敛曲线逡逑图１－２法国国家放射性废物管理署地下研究实验室（ＧＣＳ通道）［１２，１３］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ邋Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｆｒｅｎｃｈ邋Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ邋Ｗａｓｔｅ邋Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ逡逑Ａｇｅｎｃｙ邋（Ｇ

论文研究,绪论,围岩,隧道

图I-4论文研究思路与方法

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