基于构造地应力环境的隧道开挖支护模型试验和数值模拟研究

论文摘要

近年来,土木工程建设中大量的隧道和地下工程开发与利用,有力地推进了和谐社会的快速发展与建设,取得了显著的经济效益和社会效益。隧道和地下工程技术是开发利用地壳潜在资源,进而更能实现工程的便利、节能、环保、安全、和经济的要求。但是,由于复杂的地质条件,使隧道技术工艺的发展与隧道工程建设的发展在一定程度的不协调,在隧道建设中容易出现掉块、塌方等隧道灾害。构造地应力是影响隧道围岩稳定的主要因素,对确定隧道开挖支护产生很大的影响。由此我们意识到构造地应力影响的隧道开挖支护力学特性是隧道不可忽视的一个问题。本论文针对构造地应力影响的隧道开挖支护问题,依托辽宁红沿河核电站隧道施工工程,利用有限元软件Phase2D,进行了构造地应力影响下的隧道围岩开挖支护的稳定性数值模拟分析,得出了不同构造地应力作用下的隧道开挖和初支围岩的变形规律,揭示了不同应力场围岩应力分布特征,以及不同应力场围岩位移分布特征;根据相似理论,开展了物理模型试验,通过模拟构造地应力对隧道围岩稳定性的影响,认识了构造地应力作用下的隧道围岩支护的变形破坏规律,以及构造地应力作用下的破坏模式;同时,与数值模拟分析成果互为认证,验证了施工设计的可靠和施工方案的合理。在获得隧道施工中掌子面多个关键技术参数的基础上,利用岩体基本质量指标(BQ)、巴顿岩体质量指标(Q)分级和岩体地质力学指标值(RMR)评价方法,进行了围岩级别分类的动态分析与评价,确立了合理的支护类型和施工参数。本论文采用了数值分析与模型试验方法的相互结合,是研究基于构造地应力影响的隧道开挖支护力学特性的一次初步的尝试,为构造地应力影响的隧道开挖支护提供了一定的参考,辅助设计施工,来降低隧道施工的风险和加快隧道施工的进度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的、意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 地应力的认识
• 1.3.2 地应力场的研究
• 1.4 依托工程
• 1.4.1 工程地质概况
• 1.4.2 隧道稳定性地质评价
• 1.4.3 设计情况
• 1.5 本论文研究思路启示
• 1.6 本论文研究的主要内容及技术路线
• 1.6.1 研究的主要内容
• 1.6.2 研究技术路线
• 第二章 构造地应力判别和影响隧道围岩稳定性的分析方法
• 2.1 构造地应力判别
• 2.2 构造地应力对隧道围岩稳定性的影响
• 2.3 构造地应力影响隧道围岩稳定性的分析方法
• 2.3.1 构造地应力对隧道围岩影响的模型试验方法
• 2.3.2 构造地应力对隧道围岩影响的数值模拟方法
• 2.3.3 构造地应力对隧道围岩影响的工程地质方法
• 2.4 三种方法的互相验证的关系
• 2.5 本章小结
• 第三章 构造地应力对隧道围岩变形破坏的模型试验研究
• 3.1 模型试验方法与设计
• 3.1.1 模型相似比确定
• 3.1.2 模型材料配制
• 3.2 模型制作与测试系统
• 3.2.1 边界条件的考虑
• 3.2.2 侧压系数入的选取
• 3.2.3 模型试验台架的设计
• 3.2.4 隧道模型制作及初衬结构的模拟
• 3.3 模型试验结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 构造地应力对隧道围岩稳定性的数值模拟分析
• 4.1 数值模拟分析模型的建立
• 4.2 围岩物理力学参数
• 4.3 数值模拟计算结果与分析
• 4.3.1 隧道围岩的应变分布特征
• 4.3.2 隧道围岩的应力分布特征
• 4.3.3 隧道围岩的位移分布特征
• 4.4 本章小结
• 第五章 构造地应力影响下的隧道开挖支护参数建议
• 5.1 隧道开挖支护设计中初始地应力的考虑
• 5.1.1 设计中初始地应力的考虑
• 5.1.2 在初始地应力情况下隧道可能出现的危险性情况
• 5.2 构造地应力条件下隧道围岩稳定性分级与开挖支护考虑
• 5.2.1 隧道岩体基本质量指标（BQ）评价
• 5.2.2 隧道巴顿岩体质量指标（Q）分级
• 5.2.3 隧道岩体地质力学指标值（RMR）分级
• 5.2.4 高地应力条件下施工中隧道开挖支护类型判定
• 5.3 构造地应力影响下的不同围岩隧道开挖支护参数建议
• 5.3.1 隧道洞体段开挖支护
• 5.3.2 隧道洞口段、节理裂隙密集带开挖支护
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 主要研究成果
• 6.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录Ａ
• 摘要
• ABSTRACT