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随着我国川藏铁路、“一带一路”等国家战略的实施部署,铁路工程、公路工程等交通基础设施建设重心逐渐向我国西部深埋山岭地区转移。然而,西部深埋山岭软弱围岩地区隧道工程修建过程中通常会面临由于高地应力带来的严重隧道大变形问题。而解决该问题的根本前提是需要对高地应力条件下软岩力学特性的准确认识,以及在隧道设计分析中充分考虑高地应力对软岩力学特性的影响。然而,高地应力软岩隧道相关计算分析中通常忽略了围压对软岩力学特性的影响;并且,目前针对高地应力软岩隧道所采用的支护设计方法主要以工程经验法为主,适用性有限。
鉴于此,本文采用理论推导、数值模拟、统计分析、资料调研等多种研究方法,分别从高地应力典型软岩(千枚岩、板岩)力学特性、高地应力典型软岩隧道周边围岩弹塑性解析解与围岩纵向变形曲线计算方法、以及高地应力典型软岩隧道支护设计与安全性评价方法四个方面展开深入、系统研究。研究主要成果如下:
探明了高地应力典型软岩(千枚岩、板岩)变形与强度特性;明确了围压对典型软岩变形与强度特性的影响规律;建立了典型软岩变形与剪切强度参数随围压变化的计算方法。
基于高地应力典型软岩力学特性对隧道围岩进行应力分区;在此基础上,依据弹性力学理论、Mohr-Coulomb屈服准则,塑性增量理论与有限差分原理,推导了高地应力典型软岩隧道围岩应力位移有限差分解析解,并将其与既有计算结果进行对比,验证了所提新解的正确性与精确性;进而,探明了隧道周边围岩应力位移场的变化规律;提出了高地应力典型软岩隧道围岩特征曲线(GRC)计算方法。
基于FISH语言对Flac3D软件进行二次开发,提出了基于高地应力典型软岩力学特性的隧道施工数值模拟计算方法,并通过算例验证了所提方法的正确性;进而,探明了围岩纵向变形曲线变化规律;最后,提出了高地应力典型软岩隧道围岩纵向变形曲线(LDP)计算方法。
提出了高地应力典型软岩隧道支护特征曲线(SCC)计算方法;基于收敛约束法,总结形成了高地应力典型软岩隧道支护设计方法;其次,建立了以支护结构极限承载力与洞周极限变形量为评价指标的高地应力典型软岩隧道支护安全性评价方法,从而形成了完整的高地应力典型软岩隧道支护设计与安全性评价方法。最后,将上述方法应用于典型高地应力软岩隧道工程,验证了该方法可以满足工程设计准确性要求。
鉴于此,本文采用理论推导、数值模拟、统计分析、资料调研等多种研究方法,分别从高地应力典型软岩(千枚岩、板岩)力学特性、高地应力典型软岩隧道周边围岩弹塑性解析解与围岩纵向变形曲线计算方法、以及高地应力典型软岩隧道支护设计与安全性评价方法四个方面展开深入、系统研究。研究主要成果如下:
探明了高地应力典型软岩(千枚岩、板岩)变形与强度特性;明确了围压对典型软岩变形与强度特性的影响规律;建立了典型软岩变形与剪切强度参数随围压变化的计算方法。
基于高地应力典型软岩力学特性对隧道围岩进行应力分区;在此基础上,依据弹性力学理论、Mohr-Coulomb屈服准则,塑性增量理论与有限差分原理,推导了高地应力典型软岩隧道围岩应力位移有限差分解析解,并将其与既有计算结果进行对比,验证了所提新解的正确性与精确性;进而,探明了隧道周边围岩应力位移场的变化规律;提出了高地应力典型软岩隧道围岩特征曲线(GRC)计算方法。
基于FISH语言对Flac3D软件进行二次开发,提出了基于高地应力典型软岩力学特性的隧道施工数值模拟计算方法,并通过算例验证了所提方法的正确性;进而,探明了围岩纵向变形曲线变化规律;最后,提出了高地应力典型软岩隧道围岩纵向变形曲线(LDP)计算方法。
提出了高地应力典型软岩隧道支护特征曲线(SCC)计算方法;基于收敛约束法,总结形成了高地应力典型软岩隧道支护设计方法;其次,建立了以支护结构极限承载力与洞周极限变形量为评价指标的高地应力典型软岩隧道支护安全性评价方法,从而形成了完整的高地应力典型软岩隧道支护设计与安全性评价方法。最后,将上述方法应用于典型高地应力软岩隧道工程,验证了该方法可以满足工程设计准确性要求。