土質(zhì)隧道開挖穩(wěn)定性及施工引起地面沉降研究.pdf

1、目前隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，需要大量修建水工隧洞以及地鐵、公路和鐵路等交通隧道以緩解能源短缺及交通擁堵問題，由于全國各地的地質(zhì)條件紛繁各異，那么在這些地方修建隧道不僅對圍巖穩(wěn)定性的評價提出越來越高的要求，并且還需全面而準確的估計隧道開挖對鄰近建(構(gòu))筑物穩(wěn)定性的影響，因此還有許多有關(guān)隧道穩(wěn)定性方面的問題，亟待人們?nèi)ソ鉀Q。
　　首先本文對土質(zhì)隧道穩(wěn)定性評價計算方法進一步探討；然后嘗試以土質(zhì)隧道開挖掌子面穩(wěn)定性分析為例，給出掌子面

2、穩(wěn)定性評價結(jié)果能應用于指導實際隧道工程設計或施工方案優(yōu)化調(diào)整的思路及實現(xiàn)方法；其次從理論解析角度探討地震作用下土質(zhì)隧道掌子面可能發(fā)生的破壞形式；最后關(guān)于隧道開挖引起的地層損失和地面沉降的預測方法上開展更深入的理論研究工作。其主要工作和成果如下：
　　(1)本文詳細總結(jié)了影響土質(zhì)隧道穩(wěn)定性的地質(zhì)因素和工程因素，認識了包括地應力、地下水及地應力場等地質(zhì)因素對圍巖穩(wěn)定性影響：也認識了隧道施工過程中人為施工活動與隧道穩(wěn)定狀態(tài)密不可分的關(guān)系

3、，并總結(jié)了包括隧道選線、斷面形狀、開挖工藝以及支護情況等工程因素對圍巖質(zhì)量和穩(wěn)定性狀態(tài)的擾動影響。
　　(2)本文針對目前隧道穩(wěn)定性評價方法中僅以圍巖應力狀態(tài)為單一特征量來表征當前土質(zhì)隧道所處穩(wěn)定性狀態(tài)的局限性。首先提出通過引入以應力狀態(tài)σ和應變狀態(tài)ε為自變量的狀態(tài)函數(shù)S，用于反映土質(zhì)隧道穩(wěn)定性狀態(tài)實際上是由圍巖內(nèi)二次集中應力狀態(tài)和開挖后圍巖產(chǎn)生變形狀態(tài)共同作用的結(jié)果；然后參照給出以狀態(tài)函數(shù)S表示的土質(zhì)隧道安全系數(shù)。詳細給出土體圍

4、巖滿足理想彈塑性和Duncan-Chang本構(gòu)模型下土質(zhì)隧道安全系數(shù)具體計算方法原理和技術(shù)路線；并給出了兩種本構(gòu)模型下土質(zhì)隧道處于極限狀態(tài)時相應的判據(jù)。通過山西省某高速公路黃土隧道的應用分析，采用高地應力下Q3黃土試塊的三軸試驗結(jié)果表明，該黃土隧道穩(wěn)定性評價過程中采用Duncan-Chang本構(gòu)模型時可以得到更接近現(xiàn)場監(jiān)測位移的結(jié)果，而且與采用理想彈塑性本構(gòu)模型的穩(wěn)定性計算結(jié)果相比，該黃土隧道安全系數(shù)也更接近該隧道特征點現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)所反

5、映出圍巖所處的穩(wěn)定性狀態(tài)。
　?。?）利用本文第二章關(guān)于土質(zhì)隧道穩(wěn)定性計算方法探討隧道開挖后掌子面穩(wěn)定性，并分別計算滿足理想彈塑性和Duncan-Chang本構(gòu)模型下土質(zhì)隧道的掌子面安全系數(shù)。不僅指出現(xiàn)階段掌子面安全系數(shù)用于定量評價掌子面穩(wěn)定性儲備程度的簡單方便性，而且還闡述了目前其存在不能作為施工方案優(yōu)化調(diào)整的直接量化依據(jù)的缺陷，并給出探討掌子面安全系數(shù)與施工條件參數(shù)之間定量關(guān)系的必要性及可行性。
　　（4）本文選取施工支

6、護距離t、掌子面上的支護壓力Tσ、地面附加荷載sσ和埋深與洞徑之比C/D等四個施工條件參數(shù)為主要施工變量，通過以滿足理想彈塑性本構(gòu)模型的土質(zhì)隧道開挖施工為例，給出構(gòu)建掌子面安全系數(shù)關(guān)于施工條件參數(shù)的隱函數(shù)關(guān)系（即Fs=(t,σT,σs,C/D)）的思路；并利用多元函數(shù)Taylor公式變換得到了隱函數(shù)的多項式表達，嘗試搭建掌子面安全系數(shù)與定量化施工方案的橋梁。在多個施工條件參數(shù)共同變化情形下，利用響應曲面法確定了掌子面安全系數(shù)的Taylo

7、r展開式中各項未知系數(shù)，還利用最速上升法優(yōu)化最“合適”的區(qū)域，然后在該區(qū)域內(nèi)進一步得到更能準確反映掌子面安全系數(shù)與施工條件參數(shù)之間真實定量關(guān)系的一階或二階Taylor展開式，并給出實現(xiàn)過程較完整的技術(shù)路線。最后在理想隧道開挖數(shù)值模型試驗及隧道工程實例中應用分析，不僅對構(gòu)建掌子面安全系數(shù)隱式表達Fs=(t,σT,σs,C/D)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)實現(xiàn)方法進行合理性驗證；而且更重要的在于驗證利用響應曲面法探討土質(zhì)隧道掌子面穩(wěn)定性與施工條件之定量

8、關(guān)系的思路的可行性及有效性。
　?。?）文中還探討地震作用下土質(zhì)隧道掌子面破壞形式，并將其轉(zhuǎn)換為變分問題；利用地震系數(shù)法將地震作用擬靜力化處理，然后基于非線性Hoek–Brown屈服準則和上限定理建立了地震作用下掌子面破壞曲線的泛函，最終由最簡泛函的Euler-Lagrange方程給出了當B=0.5時掌子面破壞極值曲線的特解，從而解決了過去在探討隧道掌子面穩(wěn)定性時需事先假定其破壞模式的問題，而且也可以作為地震多發(fā)區(qū)隧道施工風險評價

9、定量依據(jù)之一。然后在兩個理想隧道開挖計算模型中進行參數(shù)分析，探討了滑動破壞方向角β、掌子面上的支護壓力Tσ及地震設計烈度對掌子面破壞極值曲線的影響。最后將本文方法得到縱向擾動最大距離等結(jié)果與利用有限元數(shù)值分析地震響應的結(jié)果進行比較分析。
　?。?）利用虛位移原理和Maxwell-Betti功互換定理構(gòu)建出淺埋未襯砌圓形土質(zhì)隧道的兩組具有獨立受力狀態(tài)的計算模型并建立了地層損失的彈塑性計算公式；結(jié)合兩組受力狀態(tài)下（即彈性和彈塑性狀態(tài)下

10、）應力、應變和位移解析結(jié)果推導出未襯砌圓形隧道開挖引起的地層損失的彈塑性解析表達式。還總結(jié)歸納了地面沉降槽寬度系數(shù)的經(jīng)驗計算公式，并給出了近似表達的統(tǒng)一公式。而且討論了本文方法與Sagaseta、Verrijt-Booker、Oteo和Loganathan等四種方法應用于同一個未襯砌黏土圓形隧道理想化模型上對比分析了它們之間異同點。并在HETT、GPU、TBT和BSN等四個隧道工程進行了有效性和準確性的驗證，表明了本方法尤其在材料均勻分

11、布且較硬的土質(zhì)隧道中具有更好的準確性。
　?。?）本文考慮土質(zhì)隧道非均勻收斂變形并結(jié)合上限定理深入分析了不排水條件下因隧道開挖引起洞周邊土體非均勻收斂變形與地層損失之間存在的內(nèi)在聯(lián)系。在充分考慮土質(zhì)隧道開挖引起周邊土體收斂變形方向的不確定性，提出了以隧道開挖引起周邊土體非均勻收斂曲線與隧道最終襯砌斷面曲線所圍面積等效計算地層損失的非均勻模型。基于該非均勻地層損失模型中的幾何關(guān)系及含義，給出隧道開挖引起的地層損失Vs的計算表達式。然

12、后利用上限定理及變分法推導隧道開挖引起地層損失Vs的極限解析表達式。
　?。?）將該地層損失計算模型的預測結(jié)果與Mair進行的離心機隧道模型試驗中2DB、2DI兩組模型的實測數(shù)據(jù)進行對比分析，表明其預測的地面沉降曲線能較好的擬合試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)，而且預測的地層損失率及地面沉降值在水平距離x/D大于0.5時能較好擬合試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)，而當水平距離x/D小于等于0.5時，地面沉降值能較好擬合試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)果。進而在三個實際隧道工程中的應用中