软弱围岩隧道侧压力系数反演分析及变形特性研究

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软弱围岩在公路隧道施工中所占的比重较大,且多呈现节理发育和高地应力等特点。目前,对软弱围岩小净距隧道施工过程中的围岩特性与变形机制认识不清。因此,研究软弱围岩隧道变形特性具有重要的意义。论文分析了软弱围岩隧道的变形机理及围岩-支护结构平衡稳定体系。依据新意法,研究了掌子面挤出变形、预收敛变形与收敛变形之间的关系。针对现场监测数据进行回归分析,利用位移反分析法反演侧压力系数λ。运用FLAC3D数值模拟,分析在不同λ下小净距隧道软弱围岩的变形特性,得到以下主要结论:(1)对现场监测数据进行回归分析,确定拱顶下沉与水平净空收敛最佳时态曲线方程分别为U=T/(0.1154+0.0271×T)和U=39.5276×e(-24498/T)。推算出拱顶与洞周极限位移值分别为36.96 mm和39.53mm。通过12次迭代收敛运算确定侧压力系数λ值为1.1305,满足收敛精度要求,且误差△=20.95%,目标函数f(λ)=31.4<31.7。(2)隧道开挖导致沿轴线方向围岩的变形呈逐步降低趋势,且存在挤出变形与轴向距离为线性关系。当λ<1.0时,挤出变形与顶底预收敛近似线性,而与水平预收敛不呈线性;当λ=1.0时,挤出变形与顶底预收敛和水平预收敛均呈线性关系;当λ>1.0时,挤出变形与水平预收敛为线性,比与顶底预收敛的线性关系更为显著。(3)考虑在衬砌施加前软弱围岩己发生较大的变形,数值试验施加衬砌的时机应选择在围岩发挥一定的自承能力后,试验结果表明衬砌施加前围岩变形约为极限位移值的1/3-2/3;当λ=1.0时,衬砌刚度选定为10.5GPa,在合理的支护时机下,能够提供足够的支护抗力,充分发挥围岩自承能力,防止软弱围岩发生大变形。(4)挤出变形与预收敛变形可呈线性关系,预收敛变形影响掌子面后方的收敛变形大小。衬砌支护后,掌子面后方围岩的收敛变形降低约50%,预收敛变形降低约25%,挤出变形降低约10%。于掌子面后方1m的范围内,围岩变形发生了较大幅度的改变。由于掌子面固端效应和地应力场的影响,于掌子面前方围岩可能出现位移方向相反的现象。(5)双行洞开挖与先行洞单独开挖相比,引起后者内帮水平位移减小而外帮水平位移增加,且内帮减小量大于外帮增加量。随λ值增加,拱顶与仰拱竖向位移相对增加,当λ=0.5时,位移增量曲线的对称效果显著;当λ<0.5时,相同距离对应的拱顶位移增量绝对值大于仰拱位移增量绝对值:当λ≥1.0时,相同距离对应的仰拱位移增量绝对值则大于拱顶的。(6)后行洞扰动与双行洞开挖相比,水平位移变化量与垂直位移变化量曲线基本呈对称状。当λ=0.5时,基本上认为后行洞扰动与双行洞开挖产生的围岩变形一致;相对于双行洞开挖,后行洞扰动令右帮与拱顶产生相对较大的位移变化量。不同λ下的挤出变形并不相同,当λ=0.5时,挤出变形最小,且随λ增加,侧压力系数与挤出变形近似为线性。
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