本文選題：擾動效應　切入點：干預效應　出處：《北京交通大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：近年以來,我國城市軌道交通、高速鐵路、高速公路等交通基礎設施進入了大規(guī)模建設期,作為交通工程的重要載體,隧道工程的建設數(shù)量大幅增加、施工難題層出不窮,隧道設計理論已經(jīng)明顯滯后于工程實踐。對支護與圍巖作用體系的力學特點的認識深度直接決定了隧道工程設計和施工的科學性、安全性及經(jīng)濟性。因此,論文采用數(shù)值模擬、理論分析、室內試驗和統(tǒng)計分析方法對開挖擾動下圍巖變形的時空演化規(guī)律、隧道圍巖力學響應的三維理論分析方法和支護結構體系與圍巖相互作用的力學機理進行了深入研究,闡明了隧道支護與圍巖作用體系的力學演化過程及其基本特點,建立了一種新的支護結構剛度確定方法。主要的研究成果包括:(1)隧道開挖擾動效應是支護與圍巖作用體系力學演化的根本動力,無論地層結構特性和圍巖物理力學參數(shù)如何變化,圍巖變形均會經(jīng)歷"變形加速→急劇變形→緩慢變形→變形穩(wěn)定"的四個階段,且隧道洞周圍巖變形的演化過程具有顯著的自相似特性,這是由隧道開挖效應疊加的周期特性決定的。隧道拱頂圍巖變形是判斷圍巖安全狀態(tài)的基準指標,通過對側壓力系數(shù)為1的圍巖變形結果的擬合分析得到了隧道拱頂圍巖縱向變形曲線的計算公式。(2)將地層視為無限大或半無限大彈性體,以釋放應力模擬隧道的開挖效應,分別建立深埋和淺埋圓形隧道圍巖力學響應的三維分析模型,基于Mindlin解推導了圍巖應力和位移的積分計算公式,編制相應的計算程序,通過與數(shù)值模擬結果的對比驗證了其正確性,并分析了掌子面應力釋放和洞壁應力釋放對不同位置圍巖徑向位移和軸向位移影響的大小和范圍。(3)提出廣義和狹義隧道結構體系的概念,闡明各類支護結構的干預效應及其在隧道施工力學演化過程中的核心作用。初期支護是圍巖荷載的主要承載結構,應用了高強鋼筋的格柵混凝土復合支護結構具有高強度和大變形的力學特性,尤其適用于特殊地質和軟弱圍巖隧道。在擾動效應和干預效應的共同作用下,圍巖變形演化仍呈現(xiàn)出四階段特性。(4)基于對圍巖變形演化規(guī)律和支護-圍巖相互作用力學機理的研究,結合對大量隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果,凝練出隧道支護與圍巖動態(tài)作用過程的基本特點,然后基于一致性、普適性和典型性的原則將隧道掌子面、初期支護施作和二次襯砌施作確定為三個關鍵節(jié)點,并將隧道支護與圍巖的動態(tài)作用過程劃分為四個典型階段,分別闡述各個階段的作用特點、關鍵問題和控制要點。(5)基于隧道支護與圍巖相互作用的基本特點和圍巖力學響應分析的三維力學模型,從隧道圍巖的支護需求出發(fā),建立了一種新的支護結構剛度確定方法�；趯嶋H工程對易用性的要求,編制了包含各分析步驟重要參數(shù)的支護結構快速設計參考表。該方法具有便捷性、開放性的特點,其計算精度將隨理論研究的深入和計算技術的進步而不斷提高。
[Abstract]:In recent years, our country city rail transportation, high-speed railway, highway and other transportation infrastructure in the large-scale construction period, as an important carrier of traffic engineering, tunnel engineering construction quantity increase, the construction problems of the tunnel design theory has been emerge in an endless stream, lagged behind the engineering practice. The depth of understanding mechanical characteristics of surrounding rock and support system directly determines the scientific tunnel engineering design and construction, safety and economy. Therefore, using numerical simulation, theoretical analysis, laboratory tests and statistical analysis on the temporal and spatial evolution of the excavation disturbance of surrounding rock deformation, three-dimensional theoretical mechanics response analysis method of tunnel surrounding rock and supporting structure and surrounding rock interaction system the mechanical mechanism is studied, the tunnel surrounding rock mechanics and the system evolution and its basic characteristics, establish A new method to determine the stiffness of the support structure. The main results include: (1) the tunnel excavation disturbance effect is the fundamental motive force supporting system evolution and rock mechanics, no matter how the structural characteristics of strata and rock mechanics parameters, the deformation of surrounding rock are four stages "to accelerate the deformation history the sharp deformation and slow deformation, deformation and stability", and the evolution process of rock around tunnel deformation has obvious self similarity, which is decided by the cycle characteristics of tunnel excavation effect. The tunnel surrounding rock deformation is to determine the benchmark security status of the surrounding rock, the calculation formula of lateral pressure coefficient for fitting analysis the results obtained with the surrounding rock deformation of 1 Tunnel Surrounding Rock longitudinal deformation curve. (2) the apparent formation is infinite or semi infinite elastic body, to release the stress simulation of tunnel excavation effect, respectively. The 3D analysis model of deep and shallow buried circular tunnel surrounding rock mechanics response, Mindlin analytical solutions of surrounding rock stress and displacement integral formula based on the corresponding program is compiled, by comparing with the numerical simulation results verify its correctness, and analyzes the face stress release and wall stress release size the influence of different position of the radial displacement and axial displacement of surrounding rock and range. (3) proposed the concept of broad and narrow tunnel structure, the core effect of the intervention to elucidate the role of supporting structure in tunnel construction mechanics and its evolution process. The initial support is the main bearing structure of surrounding rock load, the application of high strength steel grille concrete composite supporting structure with high strength and large deformation of the mechanical properties, especially suitable for the special geological and soft rock tunnel. In the action of disturbance effect and intervention effect of the, The surrounding rock deformation evolution still shows the characteristics of four stages. (4) the deformation evolution and support rock interaction mechanism research on surrounding rock based on the combination of statistical results of a large number of tunnel monitoring data, summarizes basic characteristics of tunnel support and surrounding rock dynamic process, and then based on consistency, universality and the typical principle of tunnel face, initial support and the two lining is determined as three key nodes, and divides the dynamic effect of tunnel supporting and surrounding rock process for four typical stages, respectively on the characteristics of each stage, and the key control points. (5) three dimensional mechanics the model response analysis of tunnel support and surrounding rock and rock mechanics based on basic characteristics, starting from the tunnel surrounding rock support needs to establish a new method to determine the stiffness of the support structure. Based on the actual engineering for ease of use According to the requirement of sex, a reference table for rapid design of supporting structures, which contains important parameters of all the analysis steps, has been compiled. This method is characterized by convenience and openness, and its calculation accuracy will continue to improve with the deepening of theoretical research and the progress of computing technology.

【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：U451

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本文編號：1621836