《大跨度软弱围岩隧道工程稳定性分析研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大跨度软弱围岩隧道工程稳定性分析研究（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、西北工业大学硕士学位论文摘要地下工程中，确定软弱隧道围岩稳定性是工程设计和施工中研究的重点和难点。本文针对软弱围岩隧道自身稳定特点，通过参考大量的文献资料，建立弹塑性模型。 综合考虑影响隧道围岩稳定的各种因 素后， 运用 A N Y S Y S 有限元 程序对软弱围岩隧道稳定性影响较大的开挖方式进行数值模拟，对开挖过程中软弱隧道围岩应力场和位移场进行分析研究。结果显示对于大跨度软弱围岩隧道工程并非开挖步骤越多愈有利于围岩稳定，只有在综合分析影响隧道围岩稳定的各种因素的基础上，刁能确定合理的开挖方案。论文建立的模型及分析方法可以为软弱围岩条件下隧道的结构设计和工程施工提供参考。关 键 词:大 跨
2、 度 隧道 ; 软 弱围 岩; 稳定 性 分 析 ; 弹塑 性; 数 值 模 拟西北工业大学硕十学位论文ABS TRACTI n u n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g.s t u d i e s o f t u n n e l w a l l s s t a b i l i t y i n s o ft r o c k i sd i f f i c u l t a n d i m p o rt a n t i n d e s i g n s a n d c o n s t r u c t i o n s . T h e a r t i c le
3、 b u i l d s t h ee l a s t i c - p l a s t i c m o d e l a c c o r d i n g t o c h a r a c t e r s o f s o ft t u n n e l w a l l s s t a b i l i t y , T h r o u g hr e f e r r i n g l o t s o f r e f e r e n c e s . S i m u l a t e t h e d i g g i n g m e t h o d o f t h e s o ft r o c k t u n n e
4、 ls t a b i l i t y u s i n g A N Y S Y S f i n i t e e l e me n t s o ft w a r e a n d a n a l y s e s t h e s o ft t u n n e l r o c ks t r e s s f i e l d a n d d i s p l a c e m e n t fi e l d i n t h e p r o c e s s o f d i g g i n g a f t e r g e n e r a l l yc o n s i d e r i n g t h e f a c
5、t o r s o f a f f e c t i n g t h e t u n n e l r o c k s t a b i l i t y . T h e r e s u l t s h o w s t h a t f o rt h e l o n g s p a n s o ft r o c k t u n n e l , m o r e d i g g i n g s t e p s a r e n o t a l w a y s a v a i l a b l e t o t h er o c k s t a b i l i t y . T h e d i g g i n g p
6、 r o j e c t c a n b e c o n f i r m e d j u s t o n t h e b a s e o f g e n e r a l l ya n a l y s i n g k i n d s o f f a c t o r s o f i n fl u e n c i n g t h e t u n n e l r o c k s t a b i l i t y . T h e mo d e l a n d t h ea n a l y s e s m e t h o d t h a t t h e p a p e r s e t s u p c a n
7、 p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r t h e s t r u c t u r ed e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f t h e s o ft r o c k t u n n e l .K e y Wo r d s : L o n g - s p a n n e d t u n n e lE l a s t i c - p l as t i cS o f t r o c k S t a b i l it y a n a l y s e sNu me r i c a l s i mu l a t
8、 i o n西北工业人学硕士学位论文第一章绪论1 . 1 引言隧道地下人工建筑，是人类社会发展的产物，人类智慧的结晶。最早的人工坑道可以追溯到古代战争时代， 作为转移通道， 庇护场所和引水设施等。在近代，人工坑道被广泛应用于探矿、交通、水利及军事设施等广大领域，随着现代交通的不断发展，隧道在交通中的地位和重要性不断提高。用于交通运输的隧道几乎遍及各大城市及山区，青函海底隧道及英法海底隧道的修建，更是人类隧道建设史上的伟大创举。隧道工程经常穿越各种复杂地质条件地带，软弱围岩是隧道常见的穿 越区， 在工程施工和设计中，由 于对软 弱隧道围岩稳定性研究的不足， 常常影响工程施工进度，破坏施工安全，造
9、成工程隐患，甚至酿成工程事故，所以软弱隧道稳定性研究成为越来越多的学者研究的 课题，以 便于 在隧道工 程施工及设计中采用最优的施工方案、选择合理的初期支护和最终的隧道结构支护形式。现将隧道围宕及支护稳定研究的现状、研究方法、存在的问题及本论文研究的内容总结如下。1 . 2 隧道围岩及支护稳定性分析的研究现状2 0 世纪初发展起来的以H a i m 和 R a n k i n e 等人为代表的古典压力理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量。但是随着开挖深度的 增加， 人们发现古典压力理论在许多方面都有不符合实际的地方，于是坍落拱理论应运而 几 ， 其代ik 人物有T e r z a
10、 g h i 等人， 坍落拱理论认为: 坍落拱的高 度与地下工程的跨度和围岩性质有关。2 0世纪 5 0年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决隧 道支护问题，其中最著名的 是 F e n n e r公 式和K a s t e r 公式。 进入 2 0 世纪6 0 年代， 奥地利工程师 L . V . R a b c e w i c z 在总结前人经验的 基础上提出了一种新的 隧道设计施工的方法， 称为新奥地利隧道施工方 法 ( N e w A u s t r i a n T u n n e l i n gM e t h o d )，简称新奥法 ( N A T M )，新奥法 目 前 已成为地下工
11、程的主要设计施工西北工业人学硕士学位论文第一章绪论1 . 1 引言隧道地下人工建筑，是人类社会发展的产物，人类智慧的结晶。最早的人工坑道可以追溯到古代战争时代， 作为转移通道， 庇护场所和引水设施等。在近代，人工坑道被广泛应用于探矿、交通、水利及军事设施等广大领域，随着现代交通的不断发展，隧道在交通中的地位和重要性不断提高。用于交通运输的隧道几乎遍及各大城市及山区，青函海底隧道及英法海底隧道的修建，更是人类隧道建设史上的伟大创举。隧道工程经常穿越各种复杂地质条件地带，软弱围岩是隧道常见的穿 越区， 在工程施工和设计中，由 于对软 弱隧道围岩稳定性研究的不足， 常常影响工程施工进度，破坏施工安全
12、，造成工程隐患，甚至酿成工程事故，所以软弱隧道稳定性研究成为越来越多的学者研究的 课题，以 便于 在隧道工 程施工及设计中采用最优的施工方案、选择合理的初期支护和最终的隧道结构支护形式。现将隧道围宕及支护稳定研究的现状、研究方法、存在的问题及本论文研究的内容总结如下。1 . 2 隧道围岩及支护稳定性分析的研究现状2 0 世纪初发展起来的以H a i m 和 R a n k i n e 等人为代表的古典压力理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量。但是随着开挖深度的 增加， 人们发现古典压力理论在许多方面都有不符合实际的地方，于是坍落拱理论应运而 几 ， 其代ik 人物有T e r z
13、 a g h i 等人， 坍落拱理论认为: 坍落拱的高 度与地下工程的跨度和围岩性质有关。2 0世纪 5 0年代以来，人们开始用弹塑性力学来解决隧 道支护问题，其中最著名的 是 F e n n e r公 式和K a s t e r 公式。 进入 2 0 世纪6 0 年代， 奥地利工程师 L . V . R a b c e w i c z 在总结前人经验的 基础上提出了一种新的 隧道设计施工的方法， 称为新奥地利隧道施工方 法 ( N e w A u s t r i a n T u n n e l i n gM e t h o d )，简称新奥法 ( N A T M )，新奥法 目 前 已成为地
14、下工程的主要设计施工1巧 比 可业 人 学 D4 1 学 位 论 义方法 之一。 1 9 7 8 年， L . M u l l e r 教授比 较全面地论述了 新奥法方法的基本指导思想和主要原则，并将其概括为 2 2 条。日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论。该理论认为，隧道围岩的应变随支护结构的增加而减小，而容许应变则随支护结构的增加而增大。因此，通过增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在容许应变范围之内。支护结构的设计则是在由工程测量结果确定了对应于应变的支护工程的感应系数后确定的。2 0 世纪7 0 年代， M . D . S a l a m o n 等人又提出了 能量支护
15、理论，该理论认为，支护结果与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收一部分能量， 但总的能量没有变化。因而主张利用支护结构的特点，使支架 自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。目 前数值计算方法的发展日趋成熟，如有限单元法、边界元法、离散元法等，以 此为基础的计算软 件大量涌现，如 A D I N A , N O L M , F I N A L , U D E C , S A P ,F L A C 等程序都为广大用户所熟知，这些软件和一些支护理论相结合在地下工程支护中得到广泛的应用。于学馥教授等人提出了 “ 轴变论”理论，认
16、为隧道坍落可以自行稳定，可以用弹性理论进行分析，围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的，坍落改变隧道轴比，导致应力重分布，应力重分布的 特点是高应力下降，低应力上升， 并向 无拉力和均匀分布发展，直到稳定为止。 应力均匀分布的 轴比是隧道最稳定的轴比， 其形状为 椭圆形。 近年来他们运用系统论、热力学等理论提出开挖系统控制理论，该理论认为:开挖扰动破坏了岩体的平衡，这个不平衡系统具有 自组织功能。孙钧等提出的锚喷一弧板支护理论是对联合支护理论的发展，其理论的要点主要为:对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度 ，要坚决顶住，即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支护形式，坚决顶住和限制围岩向中空位移。松动圈 理论是由中国矿业大学董方庭教 授提出的，其主要内 容是:凡是 坚硬围岩的裸体隧道，其围岩松动圈都近乎于零，此时围岩的弹塑性变形虽然存西北工业大学硕 上 学位论文在，但并不需要支护，松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大，因此支护的目的在于防止围岩松动圈发展过程中的有害变形。主次承载区支护理论是由方祖烈教授提出的，认
