论文部分内容阅读
软岩强度低、开挖后变形大且迅速,施工扰动对其变形速率快慢影响显著,极易产生塑性区。在软弱岩层地质条件下修建隧道,隧道开挖后,地应力重新分布,容易产生大变形。隧道变形会侵占净空,压坏隧道支护结构,致使地表塌陷,影响周边建筑的安全。如何去预测软岩隧道开挖后的位移及应力变化规律对于优化隧道设计和保证安全施工来说至关重要。本文以软岩隧道开挖后对围岩的扰动影响范围、程度以及围岩压力和位移随时间变化规律（时空效应）为研究重点,通过现场的土压力监测试验、监控量测试验、拉拔试验及土工试验获得理论研究的计算参数及对比分析的依据;以小孔扩张理论为分析基础,选取非线性Hoke-Brown强度屈服准则及线性Mohr-Coulomb的强度屈服准则作为岩（土）体本构模型,结合有限元差分软件FLAC3D5.0,对围岩开挖后的空间影响半径、塑性区的发展及围岩应力释放率与洞壁位移收敛率之间的关系进行研究,验证该两种强度准则在中风化页岩中预测围岩变形的准确性;采用收敛约束法确定二衬最佳支护时机以及虚拟支护力,对原有的支护方案进行优化设计。主要工作及得出的结论如下:（1）基于《公路隧道设计规范》（JTG3370.1-2018）的岩体参数指标取值范围中,以修正岩体质量指标[BQ]值为基础,给出围岩分级及岩体参数与[BQ]值之间的关系式,获得和[BQ]值对应的围岩等级和岩体参数指标;（2）根据现场的土压力监测及洞壁位移监测结果,得到围岩收敛稳定后隧道环向围岩压力的分布趋势;结合五个监测断面的洞壁位移收敛情况和围岩纵向变形曲线,隧道开挖对围岩纵向变形的影响范围及位移收敛的幅值;研究表明,洞壁位移收敛稳定后的拱顶围岩压力数值大致为拱脚压力数值的2.64倍;隧道施工扰动实际影响范围为掌子面后方4倍开挖半径左右;（3）以小孔扩张模型为理论基础,采用非关联流动法则,考虑岩（土）体的剪胀特性,以Mohr-Coulomb、Hoek-Brown两种强度准则为岩（土）体本构模型,对软岩开挖后的变形特征规律进行研究。研究表明,以残余岩体参数为计算指标的Hoek-Brown强度屈服准则较以岩土初始参数为计算指标的Mohr-Coulomb强度屈服准则更为适用于裂隙发育或松散围岩的变形预测;（4）基于元件组合流变模型,建立能够描述平田隧道软岩流变特性的本构模型,推导出软岩开挖流变与围岩压力变化的关联式,结合现场原位试验数据验证该公式的科学性。研究表明,该软岩流变计算模型对于计算松散介质体开挖变形具有良好的适用性;考虑时间效应的围岩位移收敛解可以很好的反应隧道掘进过程中施工对围岩变形带来的影响;（5）以开挖完后相同地质断面围岩位移收敛最终量的80%作为二衬支护时机控制点,采用收敛约束法,分析得出监测断面的最佳二衬支护时机;结合现场位移监测数据,对原有的支护方案进行优化。研究表明,在满足工程安全的前提下,可以优化支护设计,增加或减少支护刚度来释放或约束一部分的围岩位移,使支护结构设计更好地满足实际工程对支挡力的需求。