分岔隧道圍巖損傷與穩(wěn)定性研究.pdf

1、高速公路分岔式隧道由四車道大拱隧道、連拱隧道、小間距隧道及標準間距的分離隧道組成，它同時具備這些隧道的特點，但是絕對不是這些隧道的簡單疊加。高速公路分岔式隧道是在地形地質(zhì)條件極端復雜、橋隧相連的峽谷山區(qū)為了降低工程造價減小施工難度而發(fā)展出來的一種新型隧道結(jié)構(gòu)型式。作為一種新型隧道形式，目前國內(nèi)外對分岔式隧道的設計施工尚未見全面系統(tǒng)的研究，國內(nèi)外尚無相應的設計、施工技術規(guī)范和標準。其受力特點、圍巖穩(wěn)定性分析、設計施工方法等尚處于經(jīng)驗積累階

2、段，因此，開展分岔式隧道的圍巖穩(wěn)定與損傷特性研究具有十分重要的理論和實際意義。本文以八字嶺分岔隧道中斷續(xù)節(jié)理巖體為研究背景，針對分岔式隧道的特點，首先開展了室內(nèi)類巖石材料損傷力學特性實驗，重點在于研究節(jié)理裂隙巖體損傷破壞特性；在此基礎上，開展相應的損傷理論研究，即應用不可逆熱力學原理，建立裂隙巖體彈塑性損傷本構(gòu)方程和損傷演化方程，為進一步分析分岔式隧道合理間距及圍巖穩(wěn)定性建立數(shù)值分析模型；通過分岔式隧道大型力學模型實驗，建立分岔式隧道合

3、理間距和損傷破壞機理，為大拱與連拱過渡地段、連拱與小間距過渡地段提供復雜受力條件下的破壞形態(tài)和損傷演化特性分析；通過理論分析和模型實驗確定的分岔式隧道合理間距，進一步通過現(xiàn)場監(jiān)測來驗證合理性，因此進行了分岔式隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測與反演分析，為分岔式隧道合理施工提供安全和信息保證；利用上述研究成果，綜合進行分岔式隧道圍巖損傷與穩(wěn)定性分析，最終解決分岔式隧道設計和施工中的關鍵問題。 本論文針對八字嶺隧道節(jié)理巖體的特點，首先開展了節(jié)理巖體

4、損傷特性的力學實驗，通過試驗研究了類巖石材料的配比，提出了新的模型實驗材料，為開展節(jié)理巖體損傷實驗提供條件。利用聲發(fā)射檢測手段，通過對含裂紋類巖石材料試件的單軸壓縮試驗，測定了含裂紋體準脆性類巖石材料受壓破壞過程中裂紋擴展區(qū)域內(nèi)的聲發(fā)射全過程曲線、聲發(fā)射分布及聲源點的分布狀態(tài)。開展了完整試件、含單裂隙初始損傷和雙裂隙初始損傷試件的單軸壓縮實驗，得到了全應力應變曲線。 通過聲發(fā)射累計數(shù)和損傷變量的關系，首次定量地確定了類巖石材料損

5、傷破壞各個階段的臨界值。通過定量確定的損傷臨界值，首次提出了節(jié)理巖體破壞的五個階段：初始裂紋閉合階段；線彈性損傷階段；彈塑性損傷階段：裂紋生成、宏觀裂紋穩(wěn)定擴展和不穩(wěn)定擴展；損傷引起材料的破壞和材料的軟化行為階段。 定量地分析了完整試件、含單個裂紋初始損傷試件和含雙個裂紋初始損傷試件的類巖石材料破壞各個階段的損傷臨界值。針對損傷特性的力學試驗，首次用幾何損傷的方法，詳細地描述了含初始損傷的類巖石材料的破壞機理和全應力應變曲線發(fā)生

6、過程，為下一步建立節(jié)理巖體能量耗散的損傷本構(gòu)方程建立實驗基礎和理論背景。常規(guī)的彈塑性有限元模型由于沒有考慮到損傷和塑性的耦合作用，難以模擬破壞時由于內(nèi)部損傷的累積導致的巖體破壞過程，不能很好地反映實際結(jié)構(gòu)的細觀破壞機理。作者采用一種宏細觀結(jié)合的思路，基于宏細觀結(jié)合的損傷力學開展了節(jié)理巖體能量耗散損傷本構(gòu)方程的研究，并建立了相應的數(shù)值分析方法，為合理評價分岔式隧道圍巖穩(wěn)定和合理間距提供了有效手段。 在理論研究的基礎上，本文首次開展

7、了分岔式隧道大規(guī)模的地質(zhì)力學模型試驗研究，為隧道圍巖損傷特性及穩(wěn)定性分析提供了試驗基礎。模型試驗中開發(fā)的新型相似材料、三維模型系統(tǒng)、開挖監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析等具有創(chuàng)新性。 在模型試驗基礎上，針對八字嶺分岔式隧道的特點，首次全面開展了分岔式隧道各個階段的現(xiàn)場監(jiān)控量測及反演分析研究。給出了分岔式隧道監(jiān)控量測系統(tǒng)的設計方法；在對圍巖變形、松動范圍、支護內(nèi)力和中隔墻壓力及其二次襯砌壓力等進行全方位跟蹤監(jiān)測的基礎上，分析了分岔式隧道圍巖和支護系