本文選題：特大斷面 + 板巖隧道��； 參考：《中國(guó)地質(zhì)大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：近年來(lái)我國(guó)特大斷面隧道和地下工程大量涌現(xiàn),尤其是在客運(yùn)專(zhuān)線中較為突出。為了克服客運(yùn)專(zhuān)線高速列車(chē)在隧道內(nèi)運(yùn)行所引起的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,特大斷面高速鐵路隧道的應(yīng)用逐漸增加,這些隧道軌面以上的凈空面積在100m2以上,開(kāi)挖斷面積在150m2以上。特大斷面隧道的建設(shè)相比常規(guī)尺寸隧道的建設(shè)在隧道的力學(xué)行為、斷面形式、襯砌結(jié)構(gòu)、施工方法、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)模式、支護(hù)參數(shù)等方面提出了新的要求。隧道圍巖變形特征受地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)參數(shù)、施工技術(shù)及管理等諸多因素的影響,且影響程度各不相同。隨著大斷面隧道的應(yīng)用逐年增多,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大斷面隧道圍巖變形做了一些研究,但在理論研究和工程實(shí)踐方面仍存在一些不足之處,主要表現(xiàn)為：①工程上對(duì)大變形還沒(méi)有明確統(tǒng)一的定義,同時(shí)勘察設(shè)計(jì)、施工各方認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一；②研究角度的多樣性導(dǎo)致研究成果的局限性;③運(yùn)用系統(tǒng)性的測(cè)試方法和手段進(jìn)行的綜合研究比較少。在工程實(shí)踐中,預(yù)測(cè)將會(huì)發(fā)生大變形的地段,支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了加強(qiáng),但在實(shí)際施工過(guò)程未出現(xiàn)大變形；預(yù)測(cè)沒(méi)有大變形的地段發(fā)生了大變形,給工程施工帶來(lái)困難。大量文獻(xiàn)研究結(jié)果顯示,圍巖大變形問(wèn)題己經(jīng)成為地下工程世界性的難題之一,尤其是在對(duì)特大斷面隧道施工期圍巖變形特征以及控制技術(shù)方面,缺乏相關(guān)的文獻(xiàn)資料。 論文以滬昆客運(yùn)專(zhuān)線長(zhǎng)昆湖南段Ⅸ標(biāo)段饅子灣隧道為依托,選題來(lái)源于湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“軟質(zhì)板巖特大斷面隧道圍巖-支護(hù)系統(tǒng)流變變形控制機(jī)理研究”(基金編號(hào)：2013CFA110),并結(jié)合“滬昆客專(zhuān)長(zhǎng)昆湖南段隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與監(jiān)控量測(cè)”的專(zhuān)題研究,開(kāi)展特大斷面板巖隧道圍巖變形特征與控制技術(shù)研究。論文從板巖圍巖工程特性出發(fā),運(yùn)用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(監(jiān)控量測(cè))和數(shù)值模擬等方法研究特大斷面板巖隧道在不同施工方法和支護(hù)方式下的圍巖力學(xué)特征和變形破壞規(guī)律,分析了圍巖變形影響因素和變形機(jī)理,并建立了有效預(yù)測(cè)特大斷面板巖隧道圍巖變形的PSO-SVM模型,對(duì)隧道大變形的預(yù)防和控制意義重大；同時(shí)運(yùn)用收斂約束法對(duì)初期支護(hù)狀況進(jìn)行分析研究,結(jié)合相應(yīng)理論分析計(jì)算出圍巖特征曲線和支護(hù)特征曲線,對(duì)特大斷面板巖隧道初期支護(hù)的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)以及提出隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)組合,并從圍巖控制原則和技術(shù)體系中提出相應(yīng)的控制措施,對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義。 論文完成的工作包括以下幾個(gè)方面： 1.特大斷面板巖隧道圍巖工程特性試驗(yàn)研究 (1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、資料收集及工程地質(zhì)報(bào)告,對(duì)所研究區(qū)區(qū)域的地質(zhì)背景和工程地質(zhì)條件做了較詳細(xì)地闡述,分析了研究區(qū)的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)和地應(yīng)力場(chǎng)等特征。 (2)通過(guò)單軸和三軸壓縮試驗(yàn),研究了干燥狀態(tài)不同結(jié)構(gòu)面傾角下板巖的力學(xué)特性,得出：①板巖的泊松比在0.15～0.25之間浮動(dòng),且與結(jié)構(gòu)面和加載方向的夾角之間關(guān)系不密切；②在相同圍壓條件下,板巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量在不同結(jié)構(gòu)面傾角下先由大變小,減小到一定值后,再逐漸增大。③通過(guò)擬合,得出三軸壓縮強(qiáng)度σ和彈性模量E與結(jié)構(gòu)面和加載方向的夾角α之間的關(guān)系。 (3)通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn),研究了干燥狀態(tài)不同圍壓下板巖的力學(xué)特性,得出：①在一定范圍內(nèi),其應(yīng)變隨應(yīng)力的增加呈現(xiàn)直線增加,而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值以后,試件突然破壞,應(yīng)力急劇減小,而側(cè)向應(yīng)變迅速增大；②試驗(yàn)結(jié)果表明：圍壓對(duì)板巖強(qiáng)度影響較大,抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增加呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。 (4)干燥狀態(tài)下板巖的破壞特征如下：①單軸壓縮時(shí),主要發(fā)生剪切破壞和順層面滑動(dòng)破壞；②當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角與軸力方向垂直時(shí),不同圍壓作用下,試件破壞主要以剪切破壞為主,隨著圍壓的增加,破壞面與最大主應(yīng)力的夾角逐漸增大,且破壞面越來(lái)越平整。 (5)研究了不同含水狀態(tài)且圍壓為10MPa時(shí)板巖的力學(xué)特性,得出：①隨著浸水時(shí)間的增加,其抗壓強(qiáng)度和彈性模量都呈減小的趨勢(shì),而泊松比卻增大；②浸泡后其應(yīng)力應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值前存在一定的塑性屈服段,峰值后出現(xiàn)應(yīng)變軟化段,且隨著泡水時(shí)間的增加,峰值前塑性屈服與峰值后應(yīng)變軟化段愈明顯。 (6)基于模糊綜合評(píng)判法對(duì)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的擾動(dòng)系數(shù)進(jìn)行修正,進(jìn)而計(jì)算出研究區(qū)域板巖的巖體力學(xué)參數(shù)。通過(guò)與經(jīng)驗(yàn)值法、張建海修正法以及聲波測(cè)試法計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析得出,論文提出的基于模糊綜合評(píng)判法修正的擾動(dòng)系數(shù)與聲波測(cè)試法計(jì)算出的擾動(dòng)系數(shù)值較接近,表明基于模糊綜合評(píng)判法修正Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的擾動(dòng)系數(shù)的合理性,解決了采用聲波測(cè)試法費(fèi)用高和難以實(shí)施的困難,可為類(lèi)似的工程提供參考應(yīng)用。 (7)干燥狀態(tài)下,采用分級(jí)加載時(shí),每級(jí)荷載作用下,板巖的軸向和側(cè)向都會(huì)發(fā)生瞬時(shí)應(yīng)變與蠕變應(yīng)變,其中瞬時(shí)應(yīng)變大約占整個(gè)變形的80%,且軸向應(yīng)變較側(cè)向應(yīng)變變形大,約為2-3倍。 (8)軸向應(yīng)力的大小對(duì)巖體的蠕變變形特性有著至關(guān)重要的影響,當(dāng)軸向應(yīng)力小于巖體的屈服應(yīng)力時(shí),其側(cè)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變呈線性增加關(guān)系；當(dāng)軸向應(yīng)力大于巖體的屈服應(yīng)力時(shí),其側(cè)向與軸向應(yīng)變呈指數(shù)關(guān)系變化。 (9)不同含水狀態(tài)下,圍壓為15MPa時(shí),其蠕變規(guī)律與干燥狀態(tài)下相似,且隨著含水率的增加,其軸向變形量和側(cè)向變形量依次增加。 (10)在總結(jié)經(jīng)典蠕變模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)分析對(duì)比,論文采用修正的Burgers模型計(jì)算研究區(qū)域的蠕變參數(shù),為后續(xù)的數(shù)值計(jì)算分析奠定基礎(chǔ)。 2.特大斷面板巖隧道圍巖變形特征分析 (1)介紹了饅子灣隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)及其數(shù)據(jù)處理方法,結(jié)合饅子灣隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)隧道洞口處地表沉降以及在不同隧道開(kāi)挖方法(三臺(tái)階七步開(kāi)挖法、弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法和臺(tái)階法)下圍巖變形隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行分析。 (2)隧道出口地表橫向沉降呈中央值很大的正態(tài)分布規(guī)律,隧道拱頂軸線方向上沉降最大,兩側(cè)的沉降隨著距離的增大而減小,且隨著隧道埋深的增大,地表的累計(jì)沉降量依次減小。當(dāng)隧道掌子面開(kāi)挖到地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí),該監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能發(fā)生隆起或者下沉現(xiàn)象；但當(dāng)隧道掌子面穿越地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)后,由于隧道斷面支護(hù)閉合的作用,大約距離掌子面W-2D(D為洞徑)時(shí),地表沉降開(kāi)始收斂。 (3)通過(guò)繪制圍巖變形-時(shí)間特征曲線,對(duì)不同開(kāi)挖方法下圍巖變形隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行了分析,得出圍巖變形-時(shí)間特征曲線。 (4)通過(guò)擬合對(duì)比分析,指數(shù)函數(shù)是論文研究區(qū)域圍巖變形特征分析的最佳擬合函數(shù)。其中函數(shù)y=a(1-e-e-ht)適用于拱頂沉降和上測(cè)線收斂變形分析,而函數(shù)y=ae-b/t分析下測(cè)線收斂變形時(shí)精度更高。 (5)三種工法下圍巖變形的徑向釋放率在相同時(shí)間內(nèi)拱頂最小,其次是上測(cè)線,下側(cè)線最大。各斷面開(kāi)挖30天后徑向變形釋放率就接近100%,趨于穩(wěn)定。 (6)結(jié)合饅子灣隧道監(jiān)控量測(cè)資料,針對(duì)不同圍巖級(jí)別,對(duì)圍巖變形和距掌子面距離的關(guān)系進(jìn)行了分析,得出：①?lài)鷰r變形趨于穩(wěn)定時(shí),拱頂、上測(cè)線和下測(cè)線基本上同時(shí)穩(wěn)定,Ⅴ級(jí)、Ⅳb級(jí)以及Ⅳa級(jí)圍巖施做二次襯砌時(shí)距掌子面的距離建議為分別為3倍、2.6倍和2.4倍洞徑；②圍巖變形與距掌子面距離的關(guān)系曲線可分為“臺(tái)階”型、“拋物線”型以及“廠”型三種類(lèi)型。 (7)對(duì)特大斷面板巖隧道圍巖變形的影響因素進(jìn)行了分析,得出影響圍巖變形的因素不僅受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造情況、初始地應(yīng)力場(chǎng)、圍巖自身的性質(zhì)、地下水和隧道埋深等因素的影響,而且還與隧道斷面的形狀和尺寸、施工因素等有關(guān)。 (8)對(duì)特大斷面板巖隧道圍巖變形機(jī)理及本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究,得出其變形機(jī)制主要表為板、梁的彎曲變形以及結(jié)構(gòu)面張開(kāi)或閉合,變形本構(gòu)方程可用層狀圍巖彎曲變形的本構(gòu)方程。 3.特大斷面板巖隧道圍巖變形數(shù)值分析 (1)分析了FLAC3D中關(guān)于巖土材料的摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,以及隧道開(kāi)挖采用的空單元；并討論了Burgers模型在FLAC3D中的實(shí)現(xiàn)。 (2)通過(guò)建立三維數(shù)值模型,從圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)三個(gè)方面對(duì)三臺(tái)階七步法、弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法和臺(tái)階法的圍巖空間變形規(guī)律進(jìn)行了分析；并且通過(guò)縱向位移場(chǎng)分析,得出了三種工法施工過(guò)程中圍巖超前變形的規(guī)律。 (3)分析了圍巖蠕變效應(yīng)和隧道斷面尺寸對(duì)特大斷面板巖隧道圍巖變形特征的影響,通過(guò)對(duì)比分析得出：①蠕變效應(yīng)在V級(jí)圍巖隧道開(kāi)挖后對(duì)圍巖變形的影響較大,不可忽略,而對(duì)Ⅳb級(jí)圍巖影響較小,在實(shí)際研究中可以忽略：②通過(guò)對(duì)三種典型常用高速鐵路斷面尺寸的分析,進(jìn)行數(shù)值分析,結(jié)果表明：隧道圍巖變形存在明顯的洞室尺寸效應(yīng),斷面尺寸一般不會(huì)改變圍巖原有的變形規(guī)律,僅僅是量值上的差異,圍巖塑性發(fā)展區(qū)隨斷面尺寸的增大而增大,但小斷面尺寸能減小隧道圍巖擾動(dòng)區(qū)范圍。 4.特大斷面板巖隧道圍巖變形預(yù)測(cè)研究 (1)系統(tǒng)分析了支持向量機(jī)理論,并對(duì)支持向量機(jī)核函數(shù)和支持向量機(jī)模型參數(shù)進(jìn)行了研究。 (2)針對(duì)支持向量機(jī)方法中懲罰因子C和核參數(shù)σ的取值問(wèn)題,將粒子群優(yōu)化算法引入支持向量機(jī)模型中,提出了粒子群優(yōu)化的支持向量機(jī)模型(PSO-SVM),并給出了該模型的建模步驟和方法。 (3)分析了支持向量機(jī)模型懲罰因子C和核參數(shù)σ對(duì)時(shí)序預(yù)測(cè)結(jié)果影響,驗(yàn)證了粒子群優(yōu)化算法搜尋模型參數(shù)具有快速和準(zhǔn)確的特點(diǎn),避免人為選擇支持向量機(jī)模型的盲目性。 (4)將PSO-SVM模型運(yùn)用到饅子灣隧道地表沉降和洞內(nèi)拱頂沉降預(yù)測(cè)中,并與常規(guī)灰色GM(1,1)模型和曲線擬合法預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析,結(jié)果表明：PSO-SVM模型預(yù)測(cè)精度最高,且預(yù)測(cè)能力優(yōu)于常規(guī)灰色GM(1,1)模型和曲線擬合法。 5.特大斷面板巖隧道圍巖變形控制技術(shù)研究 (1)系統(tǒng)分析了收斂-約束法原理,得出支護(hù)施作時(shí)機(jī)與支護(hù)剛度是影響隧道圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素。 (2)通過(guò)對(duì)比分析,采用數(shù)值分析計(jì)算法,研究了Ⅴ級(jí)、Ⅳb級(jí)和Ⅳa級(jí)三種圍巖的圍巖特征曲線,并根據(jù)工程實(shí)際,計(jì)算出了開(kāi)挖過(guò)程中圍巖應(yīng)力的釋放過(guò)程。 (3)基于收斂-約束法原理,從理論上分析了幾種常用支護(hù)以及組合支護(hù)的支護(hù)特征曲線,并提出了初期支護(hù)適應(yīng)性評(píng)價(jià)的方法。 (5)結(jié)合饅子灣隧道初期支護(hù)參數(shù),計(jì)算出初期支護(hù)的支護(hù)特征曲線,通過(guò)分析圍巖特征曲線與支護(hù)特征曲線的關(guān)系,對(duì)特大斷面板巖隧道初期支護(hù)適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 (6)通過(guò)理論計(jì)算對(duì)隧道初期支護(hù)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià),并繪制了相應(yīng)的安全系數(shù)圖,結(jié)果表明：型鋼+噴錨聯(lián)合支護(hù)具有較好的安全性,滿(mǎn)足特大斷面板巖隧道施工與運(yùn)營(yíng)安全性要求,且V級(jí)、Ⅳb級(jí)和Ⅳa級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)均在邊墻與仰拱連接處最小,分別為1.24,1.37和1.39,設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中應(yīng)予以注意。 (7)采用正交試驗(yàn)法對(duì)支護(hù)時(shí)機(jī)與剛度進(jìn)行優(yōu)化,選取初期支護(hù)與二次襯砌壓應(yīng)力較大,拉應(yīng)力較小為考察優(yōu)化指標(biāo),提出了V級(jí)圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化組合為初期支護(hù)時(shí)機(jī)為圍巖應(yīng)力釋放75%+噴層厚35cm+二次襯砌時(shí)機(jī)為圍巖應(yīng)力釋放96%+二襯厚度為50cm,并通過(guò)平面應(yīng)變數(shù)值分析驗(yàn)證了優(yōu)化組合的合理性。 (8)分析了圍巖變形控制原則和控制技術(shù)體系,從施工工法和支護(hù)措施兩個(gè)方面提出特大斷面板巖隧道圍巖變形控制技術(shù)。 論文的創(chuàng)新成果主要包括： (1)運(yùn)用模糊綜合評(píng)判方法對(duì)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的擾動(dòng)系數(shù)D值進(jìn)行修正,為確定板巖隧道圍巖巖體力學(xué)參數(shù)奠定了理論基礎(chǔ),具有一定的工程參考和應(yīng)用價(jià)值。 (2)通過(guò)建立三維數(shù)值模型,從圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)三個(gè)方面對(duì)三臺(tái)階七步法、弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法和臺(tái)階法的圍巖空間變形規(guī)律進(jìn)行了分析；并且通過(guò)縱向位移場(chǎng)分析,得出了三種工法施工過(guò)程中圍巖超前變形的規(guī)律；基于數(shù)值模擬方法,分析了蠕變特性和隧道斷面尺寸對(duì)圍巖變形的影響。 (3)采用支持向量機(jī)理論(SVM)對(duì)板巖隧道變形進(jìn)行預(yù)測(cè),并通過(guò)粒子群優(yōu)化算法(PSO)優(yōu)化支持向量機(jī)參數(shù)。通過(guò)與傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析,PSO-SVM預(yù)測(cè)模型具有一定的合理性和可行性。 (4)運(yùn)用收斂-約束法對(duì)特大斷面板巖隧道現(xiàn)行的支護(hù)體系進(jìn)行評(píng)價(jià),并采用正交試驗(yàn)對(duì)特大斷面板巖隧道的支護(hù)時(shí)機(jī)與支護(hù)剛度進(jìn)行優(yōu)化,提出最優(yōu)化組合。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：U456.31

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1779598