高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力研究和圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理分析.pdf

1、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的大小是隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工的一個(gè)基本依據(jù)。巖體開挖后受擾動(dòng)而產(chǎn)生應(yīng)力重分布過程極其復(fù)雜,尤其是在不良地質(zhì)環(huán)境下更甚。國內(nèi)外工程中,很多隧道遇到了擠壓大變形問題,如奧地利的陶恩隧道(Tanem)、阿爾貝格隧道(Arlberg)和日本的惠那山隧道(Enason),國內(nèi)的家竹箐隧道、烏鞘嶺隧道、新關(guān)角隧道及木寨嶺隧道等,都具有圍巖軟弱、地應(yīng)力較高、變形大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下修建隧道,由于軟巖本身自穩(wěn)能力

2、差、塑性變形大,且具有明顯的流變性,如對(duì)圍巖變形、應(yīng)力變化規(guī)律不了解或支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理,往往會(huì)發(fā)生過量變形而使隧道坍塌。因此,對(duì)于地質(zhì)條件差、地應(yīng)力為高和極高的軟弱圍巖,其結(jié)構(gòu)受力大小與受力特征對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全尤為重要。
　　 國內(nèi)外許多專家學(xué)者已對(duì)高地應(yīng)力和軟弱圍巖等問題做了大量研究工作,但在地下工程圍巖壓力研究中仍然存在不少問題。比如,現(xiàn)有本構(gòu)關(guān)系對(duì)高地應(yīng)力軟巖尚不具有廣泛代表性,開挖應(yīng)力釋放率很難在高地應(yīng)力軟巖隧道中應(yīng)用等。針

3、對(duì)目前研究中存在的問題,結(jié)合工程中出現(xiàn)的問題和實(shí)際需求,本文以高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下的關(guān)角隧道、木寨嶺隧道等工程為背景,通過地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論研究與數(shù)值分析,對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道圍巖壓力和圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理進(jìn)行了研究與應(yīng)用。主要進(jìn)行了以下幾方面的研究工作:
　　 (1)地應(yīng)力是隧道圍巖壓力產(chǎn)生的根本來源。為獲得高地應(yīng)力分布規(guī)律,本文在中國地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)得到我國青藏地區(qū)平均水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力的比值

4、隨深度變化的分布曲線。從而,總結(jié)出了青藏地區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律與特點(diǎn),為判別該區(qū)域地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的合理性提供了依據(jù)。該規(guī)律在蘭渝線天池坪隧道和兩水隧道地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中得到了應(yīng)用。
　　 (2)在構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜的地區(qū),只能通過實(shí)地量測(cè)獲得原始地應(yīng)力。本文采用水壓致裂法進(jìn)行了蘭渝線天池坪隧道和兩水隧道地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。在此基礎(chǔ)上,分析了隧道所處的原始高地應(yīng)力水平及隧道開挖后的地應(yīng)力分布規(guī)律;采用改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了木寨嶺、天池坪等隧道的

5、宏觀地應(yīng)力場(chǎng)拓展分析,獲得了地應(yīng)力的宏觀分布形態(tài)與特點(diǎn)。
　　 (3)針對(duì)現(xiàn)有本構(gòu)關(guān)系對(duì)高地應(yīng)力軟巖尚不具有廣泛代表性和卡斯特耐爾公式無法直接計(jì)算出在塑性區(qū)范圍不同發(fā)展過程對(duì)應(yīng)的塑性形變壓力的問題,以原巖應(yīng)力和隧道容許位移(或支護(hù)后實(shí)際量測(cè)位移)為出發(fā)點(diǎn),采用巖體軟化“直-曲-直”模型,推導(dǎo)了隧道形變壓力計(jì)算公式。本文稱為“卡斯特耐爾擴(kuò)展公式”。通過經(jīng)典實(shí)例分析和在木寨嶺隧道高地應(yīng)力V級(jí)軟巖段成功應(yīng)用,驗(yàn)證了該公式的正確性和實(shí)用

6、性。
　　 (4)由于高地應(yīng)力軟巖隧道中存在的開挖面通過之前的監(jiān)測(cè)位移很難獲得和實(shí)測(cè)位移存在缺失等問題,基于原巖應(yīng)力和實(shí)測(cè)位移曲線的開挖應(yīng)力釋放率模型無法應(yīng)用于高地應(yīng)力軟巖隧道。本文利用臺(tái)階法開挖中存在的空間效應(yīng)和改進(jìn)的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)位移以及多項(xiàng)式擬合預(yù)測(cè)方法,提出了兩類在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下使用開挖應(yīng)力釋放率模型的方法。通過在關(guān)角隧道和木寨嶺隧道大戰(zhàn)溝斜井高地應(yīng)力軟巖地段的應(yīng)用,探討了其結(jié)構(gòu)荷載與應(yīng)力釋放規(guī)律,其結(jié)

7、果得到三維數(shù)值分析的驗(yàn)證。
　　 (5)為驗(yàn)證卡斯特耐爾擴(kuò)展公式合理性,基于參數(shù)全過程變化的應(yīng)變軟化FLAC3D三維數(shù)值模型,模擬了木寨嶺隧道正洞高地應(yīng)力軟巖地段隧道開挖支護(hù)過程。三維數(shù)值結(jié)果與卡斯特耐爾擴(kuò)展公式計(jì)算結(jié)果吻合,進(jìn)一步證明了該公式在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下應(yīng)用的可靠性、適用性。
　　 本文在統(tǒng)計(jì)青藏地區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和拓展分析,準(zhǔn)確獲得高地應(yīng)力軟巖隧道位置原始地應(yīng)力,為研究圍巖壓力和圍巖與

8、支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理提供依據(jù)。在原始地應(yīng)力基礎(chǔ)上,結(jié)合理論分析和數(shù)值仿真,獲得了高地應(yīng)力軟巖隧道的圍巖壓力計(jì)算方法和圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理。本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)以下四個(gè)方面。
　　 (1)首次統(tǒng)計(jì)分析得到了我國青藏地區(qū)平均水平地應(yīng)力與垂直地應(yīng)力的比值隨深度變化的分布曲線,總結(jié)了青藏地區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律與特點(diǎn),為判別該區(qū)域地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的合理性提供了依據(jù),也可為該地區(qū)的深埋地下工程勘察、設(shè)計(jì)和施工提供參考。
　　 (2)針

9、對(duì)高地應(yīng)力條件下軟巖隧道大變形問題,引入巖體軟化“直-曲-直”模型,推導(dǎo)出適用于高地應(yīng)力軟巖隧道基于原巖應(yīng)力和隧道位移的隧道形變壓力計(jì)算公式。
　　 (3)針對(duì)高地應(yīng)力軟巖隧道中存在的開挖面通過之前的監(jiān)測(cè)位移很難獲得和實(shí)測(cè)位移存在缺失等問題,提出了兩類在高地應(yīng)力軟弱圍巖條件下使用開挖應(yīng)力釋放率模型的方法。
　　 (4)在三維數(shù)值分析中,為反映軟弱圍巖參數(shù)隨坑道變形而不斷變化的特點(diǎn),引入?yún)?shù)全過程變化的應(yīng)變軟化模型,利用F