【摘要】：目前國內(nèi)外在深部高地應(yīng)力軟巖中修建隧道的案例逐漸增多,但大多隧道在修建時會產(chǎn)生較大的圍巖變形,運營期間襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形甚至開裂現(xiàn)象。軟弱巖體一般具有較強的流變性,軟巖中隧道結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出隨時間變化的變形、破壞一般都主要與圍巖的強流變性有關(guān)。在流變性較強的軟巖中進行隧道支護設(shè)計時不僅需要考慮圍巖與支護間作用的瞬時性力學行為,更應(yīng)采用流變力學理論對“圍巖-支護”作用進行長期時效考慮。然而,如何合理地考慮圍巖流變行為,準確的預測圍巖-支護作用間長期動態(tài)關(guān)系,已成為軟巖隧道急待解決的問題。本文以流變軟巖中隧道的修建與長期支護設(shè)計研究為背景,針對當前對流變巖體中隧道圍巖-支護設(shè)計理論研究的不足與軟巖流變物理相似模擬方法研究的匱乏,采用理論解析與相似材料模擬等手段,對黏彈性、黏彈-塑性巖體中隧道圍巖-支護相互作用的時效特性及考慮軟巖流變特性的物理模擬方法進行了一系列研究,主要完成了以下內(nèi)容:(1)針對靜水應(yīng)力場中圓形隧道,推導出考慮掌子面連續(xù)推進時引起的應(yīng)力釋放效應(yīng)與巖體流變效應(yīng)耦合作用下的圍巖-支護相互作用黏彈性解析解。同時,假定圍巖分別為廣義開爾文體(H-K)與Burgers體,通過拉普拉斯變換及積分變換方法求解出兩種本構(gòu)下圍巖的變形、應(yīng)力及支護力的具體時效表達。(2)在隧道掌子面連續(xù)推進時的黏彈性解答基礎(chǔ)上,針對圍巖服從廣義開爾文模型(H-K)與Burgers模型進行了應(yīng)力釋放參數(shù)(m,α)、支護滯后時間t0、支護剛度Ks以及圍巖本構(gòu)參數(shù)的研究,并由此得到各參數(shù)影響下圍巖應(yīng)力、變形及支護力變化關(guān)系。(3)基于隧道無掌子面影響時的黏彈性解答,對黏彈體中“收斂-約束法”進行了研究。研究表明,黏彈體中“收斂-約束法”圍巖特征曲線(GRC)為一系列與時間相關(guān)的曲線簇,傳統(tǒng)意義上支護特征曲線與圍巖特征曲線相交的“平衡點”為一系列動態(tài)點。并且,由于傳統(tǒng)的圍巖特征曲線(GRC)和支護特征曲線(SCC)未考慮圍巖-支護之間的耦合作用,因此重新定義了考慮圍巖-支護耦合作用時的圍巖特征曲線(S-GRC),并以廣義開爾文和Burgers黏彈體進行分析。最終分析表明,按照傳統(tǒng)的GRC與SCC曲線確定的圍巖-支護作用的“平衡點”明顯低估了支護結(jié)構(gòu)的受力,以此進行隧道支護設(shè)計時,支護結(jié)構(gòu)的安全性并不能得到有效保證。(4)針對靜水應(yīng)力場中掌子面停止推進后的圓形無支護和支護隧道,在掌子面連續(xù)推進的解答基礎(chǔ)上,推導出當隧道掌子面推進于某處停止推進時圍巖與支護間相互作用的時效解答。并基于廣義開爾文(H-K)和Burgers黏彈體的解答,分析了隧道縱斷面各點圍巖收斂位移及支護力隨時間與空間的變化規(guī)律,進而揭示了隧道縱斷面上掌子面的約束效應(yīng)與圍巖蠕變效應(yīng)對圍巖收斂變形與支護力的耦合控制機理。(5)針對非靜水應(yīng)力場中圓形隧道,推導出隧道襯砌與圍巖間光滑接觸和完全接觸條件下的黏彈性通解,所得到的理論解適用于所有線性元件模型。當圍巖為廣義開爾文體(H-K),且側(cè)壓力系數(shù)λ=0.5時,研究結(jié)果表明,兩種接觸條件,圍巖的位移、襯砌的應(yīng)力、位移與內(nèi)力沿環(huán)向分布規(guī)律均有較大不同,且隨時間增長,二者相差越大。(6)針對靜水應(yīng)力場下的黏彈-塑性巖體,將隧道圍巖與支護作用的時空演化特性分為掌子面影響的彈塑性階段以及蠕變影響階段,并通過對兩個階段支護與圍巖間耦合求解,得到圍巖與支護作用的全過程演化關(guān)系。最終,將理論解答應(yīng)用于瑞士 Mont Terri隧道的超前輔助隧道中,理論計算結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本相符。(7)以精鐵粉、重晶石粉和石英砂為骨料,酒精松香溶液為膠結(jié)劑,液壓油為黏滯劑,研制出一種新型軟巖流變相似材料(IBSRO)。并以Burgers黏彈模型與西原黏彈塑性模型對該相似材料的蠕變特性進行了擬合與參數(shù)分析;且當為Burgers黏彈模型時,基于多元線性回歸分析提出了該相似材料配比的確定方法�？傮w研究表明,該相似材料強度低,流變性強,不僅可以模擬軟巖瞬時的彈塑性性質(zhì),也能很好模擬軟巖流變特性。該新材料為軟巖地下工程的瞬時與長期穩(wěn)定模型試驗提供了保證。(8)基于研制的新型軟巖流變相似材料,對神華新街臺格廟礦區(qū)軟弱粉砂質(zhì)泥巖中盾構(gòu)斜井結(jié)構(gòu)與圍巖間瞬時及長期時效作用進行了模型試驗探究。模型試驗結(jié)果表明,地層荷載作用下的圍巖與管片襯砌間作用存在瞬時性與長期時效性。在試驗各級加載下,支護力、變形及內(nèi)力均隨時間增大直至達到穩(wěn)定,且地層荷載越大,地層流變性越強,圍巖與襯砌間時效作用越明顯。對應(yīng)地層荷載3階段,各階段支護所受流變壓力比例范圍分別為12.1%～33.8%,31.8%～51.1%,28.9%～56.3%。
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U455.7
【圖文】：

？目前國內(nèi)外在深部高地應(yīng)力軟巖、極軟巖及膨脹巖中修建案例逐漸增多，但很多隧逡逑道修建過程的圍巖出現(xiàn)較大的擠壓大變形，而建完后運營時間一段時間后襯砌結(jié)構(gòu)變形逡逑依舊增大以致開裂。例如，法國的Ｌｙｏｎ－ＴｕｒｉｎＢａｓｅＴｕｎｎｅｌ［９－１１］，如圖１－１，當施工過程逡逑中遇到煤巖及黏質(zhì)頁巖時，隧道產(chǎn)生近１０００ｍｍ的位移收斂量，導致洞徑不足而不得不逡逑進行二次擴挖，擴挖后初襯再次擠壓破壞，４５０天后二襯上支護壓力逐漸攀升至８邋ＭＰａ。逡逑再如法國國家放射性廢物管理署地下研宄實驗室的ＧＣＳ通道［１２＇１３］（圖１－２），其修建于逡逑Ｃａｌｌｏｖｏ－Ｏｘｆｏｒｄｉａｎ粘土巖中，由于柂道洞徑較�。ǎ模剑矗叮恚┣覈鷰r條件相對較好，柂道逡逑僅施作了噴錨式初期支護，后期對初支豎向和水平收斂變形長期監(jiān)測表明，３年內(nèi)硐室逡逑累計變形量不斷增加，表現(xiàn)出明顯的時間效應(yīng)。而在我國，近年來隧道修建中遇到強流逡逑變性軟巖的案例也逐漸增多。例如木寨嶺隧道［１４＿１６］

（ａ）隧道施工概貌邐（ｂ）各斷面豎向與水平收斂曲線逡逑圖１－２法國國家放射性廢物管理署地下研究實驗室（ＧＣＳ通道）［１２，１３］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ邋Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｆｒｅｎｃｈ邋Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ邋Ｗａｓｔｅ邋Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ逡逑Ａｇｅｎｃｙ邋（Ｇ

圖I-4論文研究思路與方法

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本文編號：2756987