分岔隧道围岩损伤与稳定性研究

论文摘要

高速公路分岔式隧道由四车道大拱隧道、连拱隧道、小间距隧道及标准间距的分离隧道组成，它同时具备这些隧道的特点，但是绝对不是这些隧道的简单叠加。高速公路分岔式隧道是在地形地质条件极端复杂、桥隧相连的峡谷山区为了降低工程造价减小施工难度而发展出来的一种新型隧道结构型式。作为一种新型隧道形式，目前国内外对分岔式隧道的设计施工尚未见全面系统的研究，国内外尚无相应的设计、施工技术规范和标准。其受力特点、围岩稳定性分析、设计施工方法等尚处于经验积累阶段，因此，开展分岔式隧道的围岩稳定与损伤特性研究具有十分重要的理论和实际意义。本文以八字岭分岔隧道中断续节理岩体为研究背景，针对分岔式隧道的特点，首先开展了室内类岩石材料损伤力学特性实验，重点在于研究节理裂隙岩体损伤破坏特性；在此基础上，开展相应的损伤理论研究，即应用不可逆热力学原理，建立裂隙岩体弹塑性损伤本构方程和损伤演化方程，为进一步分析分岔式隧道合理间距及围岩稳定性建立数值分析模型；通过分岔式隧道大型力学模型实验，建立分岔式隧道合理间距和损伤破坏机理，为大拱与连拱过渡地段、连拱与小间距过渡地段提供复杂受力条件下的破坏形态和损伤演化特性分析；通过理论分析和模型实验确定的分岔式隧道合理间距，进一步通过现场监测来验证合理性，因此进行了分岔式隧道现场监控量测与反演分析，为分岔式隧道合理施工提供安全和信息保证；利用上述研究成果，综合进行分岔式隧道围岩损伤与稳定性分析，最终解决分岔式隧道设计和施工中的关键问题。本论文针对八字岭隧道节理岩体的特点，首先开展了节理岩体损伤特性的力学实验，通过试验研究了类岩石材料的配比，提出了新的模型实验材料，为开展节理岩体损伤实验提供条件。利用声发射检测手段，通过对含裂纹类岩石材料试件的单轴压缩试验，测定了含裂纹体准脆性类岩石材料受压破坏过程中裂纹扩展区域内的声发射全过程曲线、声发射分布及声源点的分布状态。开展了完整试件、含单裂隙初始损伤和双裂隙初始损伤试件的单轴压缩实验，得到了全应力应变曲线。通过声发射累计数和损伤变量的关系，首次定量地确定了类岩石材料损伤破坏各个阶段的临界值。通过定量确定的损伤临界值，首次提出了节理岩体破坏的五个阶段：初始裂纹闭合阶段；线弹性损伤阶段；弹塑性损伤阶段：裂纹生成、宏观裂纹稳定扩展和不稳定扩展；损伤引起材料的破坏和材料的软化行为阶段。定量地分析了完整试件、含单个裂纹初始损伤试件和含双个裂纹初始损伤试件的类岩石材料破坏各个阶段的损伤临界值。针对损伤特性的力学试验，首次用几何损伤的方法，详细地描述了含初始损伤的类岩石材料的破坏机理和全应力应变曲线发生过程，为下一步建立节理岩体能量耗散的损伤本构方程建立实验基础和理论背景。常规的弹塑性有限元模型由于没有考虑到损伤和塑性的耦合作用，难以模拟破坏时由于内部损伤的累积导致的岩体破坏过程，不能很好地反映实际结构的细观破坏机理。作者采用一种宏细观结合的思路，基于宏细观结合的损伤力学开展了节理岩体能量耗散损伤本构方程的研究，并建立了相应的数值分析方法，为合理评价分岔式隧道围岩稳定和合理间距提供了有效手段。在理论研究的基础上，本文首次开展了分岔式隧道大规模的地质力学模型试验研究，为隧道围岩损伤特性及稳定性分析提供了试验基础。模型试验中开发的新型相似材料、三维模型系统、开挖监控和数据分析等具有创新性。在模型试验基础上，针对八字岭分岔式隧道的特点，首次全面开展了分岔式隧道各个阶段的现场监控量测及反演分析研究。给出了分岔式隧道监控量测系统的设计方法；在对围岩变形、松动范围、支护内力和中隔墙压力及其二次衬砌压力等进行全方位跟踪监测的基础上，分析了分岔式隧道围岩和支护系统的变形和受力特点；根据现场监控量测结果开展了基于人工神经网络的反分析研究。最后，在室内损伤试验研究、数值分析研究、大型模型试验和现场监控量测的基础上，通过建立的弹塑性损伤耦合有限元方法开展八字岭分岔式隧道围岩损伤特性及合理间距研究，为类似工程提供经验及分析方法。通过对计算结果的对比分析，也说明了本文方法在处理节理裂隙岩体问题时的适用性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 分岔隧道研究现状
• 1.3 本文研究背景、存在问题及拟采用的解决方法
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.5 本文主要创新点
• 第二章 三维裂隙岩体损伤破裂过程的室内实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 含初始损伤试件的制备与力学参数的测试
• 2.3 三维裂隙岩体损伤破裂过程实验研究
• 2.4 裂隙岩体强度影响分析
• 2.5 类岩石材料实验曲线的几何损伤描述
• 2.6 结论
• 第三章 弹塑性损伤耦合本构方程及其应用研究
• 3.1 引言
• 3.2 考虑能量耗散的弹塑性损伤本构方程
• 3.3 分岔隧道分析模型的建立与参数
• 3.4 分岔隧道大拱段围岩稳定弹塑性损伤耦合分析
• 3.5 结论
• 第四章 分岔隧道三维地质力学模型实验研究
• 4.1 引论
• 4.2 地质力学模型试验相似原理
• 4.3 相似材料的选择与力学特性
• 4.4 三维地质力学模型试验
• 4.5 结论
• 第五章 分岔隧道现场监控量测及反分析研究
• 5.1 工程概况
• 5.2 工程地质条件
• 5.3 工程地质条件评价
• 5.4 现场监控量测方案
• 5.5 监控量测结果及其分析
• 5.6 基于现场监控量测的反分析
• 5.7 结论
• 第六章 分岔隧道围岩稳定性与合理间距研究
• 6.1 工程概况
• 6.2 工程地质条件评价
• 6.3 计算模型与参数
• 6.4 八字岭隧道初始应力场
• 6.5 岩体材料参数
• 6.6 分岔隧道施工开挖方案
• 6.7 计算方法和岩体力学计算模型
• 6.8 计算方案
• 6.9 大拱段计算结果与分析
• 6.10 连拱段隧道计算结果与分析
• 6.11 连拱隧道段合理间距计算结果与分析
• 6.12 分岔隧道综合对比分析
• 6.13 结论
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读学位期间完成的论文
• 作者攻读学位期间参加的科研课题