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1、华中科技大学 博士学位论文 隧道收敛约束法的理论研究与应用 姓名：唐雄俊 申请学位级别：博士 专业：桥梁与隧道工程 指导教师：王元汉 20090501 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I 摘 要 长期以来，作用在支护结构的围岩荷载一直不太明确，原因在于隧道开挖是一 个由三维空间与时间组成的四维问题。针对这一复杂问题，有时即使采用三维数值 模拟，都难以达到预期效果。然而，使用收敛约束法却成为上述问题分析的有效途 径。收敛约束法是近三十年发展起来的一种新兴支护设计方法，与传统的设计方法 不同，该方法重点考察的是代表支护约束压力作用下的岩层行为，其基本原则是： 支护的设计目的是稳定围
2、岩运动，而不是承受围岩荷载。 收敛约束法基本理论的三大组成部分分别是围岩特性曲线、支护特性曲线以及 纵断面变形曲线，其中围岩特性曲线表示围岩收敛对支护的需求特性，支护特性曲 线表示支护压力对围岩的约束特性，纵断面曲线表示开挖面的空间约束行为。本文 主要研究了这三条曲线的绘制方法及其相关理论，并将它们应用于十漫高速公路的 二道垭隧道，分析了该隧道的压力与收敛量测数据，检验了收敛约束法的应用效果。 本文主要完成以下几个方面的工作： (1) 利用图示法阐述了收敛约束法的基本原理。基于连续介质理论，分析了隧道 开挖前后的围岩应力与破坏特征，研究了支护的基本功用与设计要点。通过围岩与 支护特性曲线的平衡
3、点获得了支护压力的求解公式。 (2) 探讨了用于弹塑性分析的理想弹塑性、 应变软化以及弹脆塑性岩体破坏后的 变形特征。研究了不同围岩弹塑性边界的应力与位移的边界条件。研究表明，理想 弹塑性以及应变软化围岩的弹塑性边界应力与位移连续，而弹脆塑性围岩的弹塑性 边界径向应力与位移连续，但切向应力存在突变。 (3) 对二维轴对称平面应变模型进行了弹塑性分析。基于自相似理论，推导了用 于求解静水应力场的圆形洞室周边应力与位移封闭解的微分方程组，给出了满足线 性 Mohr-Coulomb 与非线性 Hoek-Brown 屈服准则的求解常数公式，编制了相应的计 算程序，获得了不同岩体模型的典型围岩特性曲线。
4、 (4) 基于弹塑性分析，提出了一种计算理想弹塑性与弹脆塑性岩体的等效 Mohr-Coulomb 强度参数的方法，并与其它两种方法进行了比较。研究结果表明，该 方法计算出的 Mohr-Coulomb 参数可较好地用于轴对称圆形隧道的弹塑性分析， 并能 快速绘制围岩特性曲线。 (5) 基于弹性厚壁筒理论， 推导出圆形混凝土单层和复合式衬砌刚度与最大支护 压力的计算公式。利用收敛约束原理分析了复合式支护与围岩之间的相互作用关系。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 II 结果表明，在后期忽略初期支护的作用效果而仅考虑二次衬砌的支护作用，得到的 最终支护压力比考虑初期支护作用时低，但二次
5、衬砌所需承受的围岩压力要大，因 此更加保守。 (6) 基于三维数值模拟，研究了岩体强度参数对约束损失的影响，得到了位移释 放率随膨胀角、摩擦角以及粘聚力的变化规律。岩体膨胀角对位移释放率的影响较 大，使用收敛约束法分析的支护压力较非膨胀性岩体大。摩擦角对开挖面后方断面 的位移释放率影响明显，但对开挖面前方断面影响不大。粘聚力大小对位移释放率 影响不大。 (7) 针对二道垭隧道不同类别围岩与支护特性，绘出了其收敛约束曲线，并对围 岩压力收敛量测数据进行了分析与研究。结果表明，收敛约束法计算的围岩压力与 实测压力较为接近，而且运用该方法合理阐释了隧道初支变形出现异常的原因。研 究工作不仅为本隧道工
6、程建设提供了指导，而且可为类似地下工程的建设提供参考。 关键词：关键词：隧道 收敛约束法 弹塑性分析 围岩特性曲线 支护特性曲线 纵断面变形曲线 自相似理论 等效 Mohr-Coulomb 参数 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 III Abstract The pressure acting on the support in the tunnel is always uncertainty for a long time. This is actually a four-dimentional problem composed of the three-dimentional
7、 space and the time. For this complex problem, it still has some difficultes to analyze even though using the three-dimentional numerical methods. However, the convergence- confinement method, which is a new tool developed in the recent thirty years for tunnel support design, can provide an effectiv
8、e approach for analyzing the above problem. Different from other conventional support design methods, the convergence-confinement method is mainly focused on the ground behavior responded to the support service quality. The basic principle of this method can be described as: a tunnel support is used
9、 to stabilize the ground movements rather than to support the ground pressures. The three basic components of the convergence-confinement methods are the Ground Response Curve (GRC), the Support Characteristic Curve (SCC) and the Longitudinal Deformation Profile (LDP). Here GRC represents the suppor
10、t requirements of the ground convergence, SCC represents the ground behaviours under support confinement, and LDP represents the confinement characteristics of the tunnel face. In the present study the relative theories and the constuctions of the three curves are carried out. For examining their ap
11、plication effects, the basic theory of the convergence-confinement method is implemented in Erdaoya Tunnel of Shiman highway, where the the measuring data of the support pressures and boundary convergences are analyzed. The dissertation includes the following contents: (1) The priciples of the conve
12、rgence-confinement method are illustrated by the graphical representions. Based on the continuum medium theory, the stress characteristics fore and after the ground excavated are analyzed. The fundamental functions and design gists of the support are studied. The expressions for the support design l
13、oads are determined by the equilibrium of GRC and SCC. (2) The post failure behaviours of the perfect plastic, strain softening and elastic-brittle-plastic rock masses are discussed. The boundary conditions at the elasto-plastic interface are studied. The results show that, for the perfect plastic a
14、nd strain softening rock masses, both the stresses and the displacements at the interface are 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 IV continuous. While for the elastic-brittle-plastic rock mass, the radial stress and radial displacement are continuous and the tangential stress is discontinous which shows a sudde
15、n drop along the interface. (3) The elasto-plastic analysis for the axisymmetric excavation model is obtained. Based on the self-similarity theory, the differential equations for calculating the stresses and displacements around a circular tunnel driven in a hydrostatic stresses are obtained. The co
16、nstants for the solutions of the liner Mohr-Coulomb and the non-linear Hoek-Brown failure critera are presented. Based on the above, the corresponding programs for solving the differential equations are establisehed, and the typical ground response curves of different rock mass model are determined by using the results of the elastic-plastic analysis. (4) Based on the elasto-plastic analysis, a new equivalent method for determining the Mohr-Coulomb strength parameters of the elasto-perfec
