高地应力软岩隧道掌子面前方岩体变形规律研究

发布时间：2017-09-12 04:06

  本文关键词：高地应力软岩隧道掌子面前方岩体变形规律研究

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【摘要】：开发深部空间是隧道及地下工程未来发展的必然趋势。随着“岩土控制变形分析法”的提出,隧道掌子面前方岩体的变形越来越受到设计与研究人员的重视。高地应力软岩隧道由于埋深大、地质条件复杂,掌子面前方岩体的变形监测困难;目前,对其变形规律的研究还较少。因此,本文用模型试验的方法研究高地应力软岩隧道掌子面前方岩体的变形规律,并根据所得的变形特征用三维数值模拟的方法比选出较适合于高地应力软岩隧道的开挖支护方式。主要研究工作与结论如下:(1)以黄土、石膏、石英砂、水泥和水为原料,用正交试验法安排各组料的不同配比进行了试验,配置出了软岩相似材料,材料的物理力学参数较好地符合了模拟实际工程所应满足的相似条件。(2)采用能够实现三向加载的模型试验箱对相似地质体进行三向加载,以此来模拟岩体的高地应力状态。在模拟隧道开挖时对岩体应力及变形进行了实时监测,分析得出了隧道掌子面前方岩体及围岩的变形规律。(3)从模型试验所得岩体变形规律可以看出,高地应力软岩隧道掌子面前方0.5倍洞径范围内隧道超前变形较大,隧道2/3左右的超前变形在该段内发生;其中核心岩体的挤出变形是隧道超前变形中变形值最大的部分。因此,要较合理地控制隧道的超前变形就必须对掌子面前方0.5倍洞径范围内的核心岩体进行预加固。(4)为了研究加固掌子面前方0.5倍洞径范围内核心岩体对隧道岩体变形、围岩应力分布及衬砌受力的影响,用FLAC~(3D)对选取的3种不同开挖支护方式下的隧道施工进行了三维数值模拟。(5)高地应力软岩隧道的施工应允许核心岩体在合理的范围内充分地变形。通过核心岩体充分的挤出变形,隧道围岩预收敛才可以得到充足的发展空间,围岩应力才能通过释放和转移的方式重分布;这不但有利于承载拱的形成,而且使得围岩应力分布更为合理。当挤出变形受到严格限制后,围岩应力会向洞周集中,造成洞周较大范围围岩产生严重的挤压破坏,围岩失去自稳能力、变形过大,隧道稳定性难以控制。
【关键词】：隧道 高地应力 软岩 超前变形 相似材料 模型试验 锥形TBM
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U451
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 选题背景及研究意义9-10
• 1.1.1 选题背景9-10
• 1.1.2 研究意义10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 高地应力软岩隧道研究现状10-11
• 1.2.2 隧道模型试验研究现状11-14
• 1.2.3 软岩隧道掌子面前方岩体变形研究现状14-15
• 1.3 研究中存在的问题15-16
• 1.4 研究的主要内容和方法16-18
• 2 相似材料的选定18-25
• 2.1 地质力学模型试验相似理论18-20
• 2.1.1 相似三定理18-19
• 2.1.2 地质力学单值条件19-20
• 2.2 依托工程概况20-21
• 2.2.1 地层岩性20
• 2.2.2 地应力形态20-21
• 2.3 地质体相似材料21-24
• 2.3.1 材料参数确定21
• 2.3.2 相似材料的研制21-24
• 2.4 本章小结24-25
• 3 试验系统的设计与测试25-33
• 3.1 模型箱及加载方式设计25-27
• 3.1.1 模型试验箱设计25-26
• 3.1.2 加载方式设计26-27
• 3.2 岩体应力与变形监测装置27-30
• 3.2.1 监测装置设计27-29
• 3.2.2 监测装置的布置29-30
• 3.3 试验方法与测试30-32
• 3.4 本章小结32-33
• 4 掌子面前方岩体变形规律分析33-59
• 4.1 隧道岩体变形规律探究33-51
• 4.1.1 岩体变形规律对比分析35-41
• 4.1.2 不同应力状态下岩体变形规律分析41-51
• 4.2 不同应力条件岩体变形对比分析51-54
• 4.2.1 各部分围岩变形占比分析51-52
• 4.2.2 掌子面挤出变形对比分析52-54
• 4.2.3 衬砌对围岩变形的控制54
• 4.3 隧道超前变形规律分析54-56
• 4.3.1 围岩预收敛变形分析54-56
• 4.3.2 核心岩体挤出变形分析56
• 4.4 本章小结56-59
• 5 掌子面前方岩体变形控制59-84
• 5.1 数值模型及参数59-63
• 5.1.1 数值模型建立59-61
• 5.1.2 数值模型计算参数61-62
• 5.1.3 初始应力场生成62-63
• 5.2 岩体变形规律模拟结果对比分析63-69
• 5.2.1 不同开挖支护方式围岩变形规律对比分析64-67
• 5.2.2 核心岩体挤出变形规律对比分析67-69
• 5.3 支护结构与围岩相互作用对比分析69-82
• 5.3.1 围岩与初衬相互作用结果对比分析70-78
• 5.3.2 二衬受力情况对比分析78-81
• 5.3.3 控制核心岩体挤出变形对衬砌受力的影响81-82
• 5.4 本章小结82-84
• 6 结论与展望84-86
• 6.1 结论84-85
• 6.2 展望85-86
• 致谢86-87
• 参考文献87-91
• 攻读学位期间的研究成果91

【参考文献】

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本文编号：834959