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深埋大断面隧道施工力学性态研究

刘春  
【摘要】: 本论文结合国家自然科学基金重点项目“隧道与地下空间工程结构的稳定性与可靠性”与重庆市科技攻关项目“大跨度隧道修建关键技术研究及示范工程”,采用理论分析、相似材料模型试验、数值模拟和现场试验手段,重点研究了深埋大断面隧道施工的力学性态。主要研究内容包括: 论文探索性地初步给出深埋隧道的合理深度范围,系统地论述了隧道施工力学理论和大断面隧道施工方法的研究现状,探讨了岩体中初始地应力场分布规律和大断面隧道的基本力学特性。 结合典型示范工程,基于室内岩石力学参数测试、相似材料配比实验,利用大型岩土工程模型试验机,对大断面隧道开挖过程进行物理模型实验,得到了深埋高地应力大断面隧道施工围岩二次应力场的分布状态及围岩破坏特征。 对深埋大断面隧道在全断面法、上下台阶两分部法、上下台阶三分部法、左右两分部法和左右四分部法施工时的力学性态进行了数值模拟,分析了毛洞开挖、锚喷初支时隧道施工各阶段的应力场、应变场、位移场、锚喷力学性态的动态演化规律,得出了适合示范工程所研究围岩地段的合理施工方法。 隧道围岩失稳是隧道开挖卸荷导致围岩主应力差增大,引起某些方向裂纹开裂、扩展,围岩损伤逐渐积累并造成围岩局部甚至整体破坏的过程。基于岩体损伤力学,建立了隧道开挖围岩损伤演化方程,采用数值模拟计算结果围岩力学数据,得到了深埋大断面隧道全断面毛洞开挖围岩损伤范围和特征,并与相似材料模型实验围岩破坏特征进行了对比分析。 通过对隧道围岩压力的种类、影响因素的全面分析,基于数值建模计算,利用敏感度分析理论,得出侧压力系数和隧道埋置深度对深埋大断面隧道围岩应力特征的影响规律。在围岩压力的计算上,分析了深、浅埋隧道分界线的确定标准,探讨了隧道围岩压力公式本质的统一性以及经典围岩压力计算公式的适用条件,并结合示范工程对隧道开挖锚喷初支的力学性态及演化规律进行了现场试验研究。隧道开挖围岩失稳破坏是一个突变的过程,基于深埋大断面隧道施工围岩变形实测资料,建立了隧道开挖围岩失稳的尖点突变预测模型。 论文取得的结论与成果主要有: 1.以白乳胶、淀粉、机油、石膏、水、粉砂的混合物作为相似材料,分析得出混和物中各材料含量对相似材料的力学性质影响规律,得到了满足示范工程相似材料模型实验的相似材料配比。探索由硅橡胶、环氧树脂、正硅酸四乙脂、二丁基二月桂酸锡、汽油和粉砂的混合物模拟岩石材料,得到易于脱模且具有较好


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