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高应力软岩公路隧道大变形机理及工程应用研究

李鸿博  
【摘要】:随着我国高等级公路建设的发展,近年来复杂地质条件下的长大隧道不断涌现,这些隧道地质环境恶劣,围岩软弱,且往往伴随较高的地应力,给高速公路长大隧道的设计和施工带来了巨大的挑战。高地应力软岩隧道工程的共同特点是围岩软弱、地应力高、地应力与围岩强度比值高、变形剧烈且持续时间较长,软岩隧道工程的难点体现在结构强度的设计、施工工法和后期维护。迄今为止仍然是世界性的技术难题。本文以宜巴高速公路深埋峡口隧道作为依托工程,通过系统的室内试验、理论分析、数值仿真、现场信息化监控量测与反馈分析等方法,全面系统地研究了高地应力软岩隧道大变形的机理,建立了软岩的非线性蠕变损伤力学模型,基于新奥法理论提出了软岩隧道的合理施工工法与支护强度,并对隧道工程的长期稳定性进行预测。论文主要研究内容和创新点如下:(1)通过室内常规单轴压缩、三轴压缩与高围压下三轴蠕变试验,建立了符合宜巴工程软岩特点的幂函数型非线性蠕变力学模型,该模型可以客观地反映宜巴项目高应力软岩的长期力学行为。(2)根据新奥法施工力学原理,采用弹塑性力学有限元方法,结合峡口隧道深埋软岩的工程实际,研究深埋软岩隧道合理开挖断面及不同施工工法下的围岩变形和破坏特征,并综合考虑施工难易程度与工程造价,提出了深埋软岩不同围岩级别时的施工工法以及支护措施。(3)针对施工期间出现的大变形情况,开展隧道地应力测试、围岩变形与支护结构应力监测,通过有限元反演分析,提出合理的围岩参数,本文所得的反演结果与现场观测结果吻合较好。(4)根据建立的围岩蠕变本构模型,采用大型非线性有限元软件ABAQUS,研究深埋峡口隧道的不同支护参数时的隧道结构稳定性,数值仿真结果表明,所提出的支护参数在隧道工程运行50年后,支护结构是安全的,说明本文提出的支护理论与方法合理可行。


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