挤压变形隧道中让压支护的力学机理研究

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当前,国内外在高地应力软弱岩层中修建隧道的案例愈来愈多。对深埋软岩隧道而言,其主要特点有两个:一是高地应力条件下围岩极易产生时效变形;二是在围岩大变形作用下支护结构容易失效。目前的隧道支护设计多是以弹塑性理论为基础进行的短期分析设计,已远远不能满足相关隧道的支护设计要求。深埋高地应力软岩隧道中,由围岩流变引起的变形往往为隧道的主要变形,运用流变力学理论对隧道进行长期支护设计具有重要意义。在面对围岩强流变变形时,采用基于“围岩能量吸收、变形释放”的让压支护替代传统的刚性支护已逐渐成为解决深埋高地应力软岩隧道挤压大变形问题的共识。本文以挤压变形隧道开挖与支护的长期设计为研究背景,针对隧道流变围岩与支护相互作用理论研究的不足以及关于让压支护力学机理与设计方法研究仍较少的问题,采用理论分析、数值计算和工程应用等手段进行了一系列研究,主要完成了以下研究内容:(1)针对传统流变模型不能够描述岩石非线性加速蠕变的缺陷,基于分数阶理论和损伤力学理论,建立了一种新的非线性Burgers流变模型。以岩石所累积的蠕变应变是否达到开启加速蠕变的阈值为判断标准,改进的流变模型的使用可分为两个阶段。该模型不仅能完整、准确地描述岩石的蠕变全过程,且由于引入的参数较少,也兼顾了工程的实用性。在此模型的基础上,推导了隧道时变位移预测的表达式,并应用于锦屏二级水电站辅助隧洞中。(2)针对锚杆-衬砌耦合作用下围岩流变变形的控制问题,利用虎克弹簧单元模拟锚杆变形行为,并通过与岩石流变模型的并联,建立了可宏观描述加锚岩体流变特性的元件模型。进一步,分别推导了仅衬砌支护和锚杆-衬砌耦合支护下隧道位移和衬砌压力的时效解答。基于锚杆-衬砌耦合支护下的理论解答,进行了锚杆参数对隧道变形影响的分析研究。对比无锚杆支护隧道,锚杆的使用对隧道变形具有良好的约束作用,但锚杆的参数也存在相应的阈值,若超过该值,尽管增加锚杆参数,隧道变形及衬砌压力的减小将不再明显。(3)针对施工中断对隧道变形产生的影响,建立了考虑多次施工中断的应力释放系数表达式,并推导了考虑掌子面停止推进时隧道施工全过程的时空变形解析解。进一步,将理论解答应用于荣家湾隧道中,计算结果能够较好地符合荣家湾隧道实际监测数据的变化规律。最后,分析了不同施工中断开始和持续的时间、中断前后的开挖速率以及支护的安装时间对隧道稳定性的影响。(4)针对让压层作用下隧道响应的问题,建立了“流变围岩-初期支护-让压层-二衬”力学模型,并推导了各支护阶段围岩和支护相互作用的黏弹性解析解。随着让压层厚度的增加,围岩位移增大,衬砌压力减小,但其厚度达到一定值后,衬砌受力状态的改善效果增加不再显著。此外,让压层填充材料应具有足够的变形能力才能达到预期的支护效果。(5)让压元件的变形可被分为两部分:弹性变形和塑性变形。由喷射混凝衬砌和让压元件组成的环向让压衬砌的变形则可被分为三阶段:弹性阶段1(喷射混凝土衬砌和让压元件的共同弹性变形)、让压阶段2(让压元件的塑性变形)和弹性阶段3(喷射混凝土衬砌的弹性变形),分别提出了各变形阶段衬砌刚度的计算表达式。在环向让压衬砌刚度计算公式的基础上,考虑了喷射混凝土硬化特性对环向让压衬砌早期安全性能的影响。并针对围岩与环向让压衬砌相互作用机理,得到了围岩与环向让压衬砌间相互作用的全过程演化关系。
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