超欠挖状态下隧道支护结构力学特性研究及围岩稳定性分析

作     者：朱林 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李树忱

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：隧道工程 超欠挖 收敛约束法 数值模拟 

摘      要：众多的隧道工程实践证明,在开挖过程中常有超欠挖产生,尤其是在采用钻爆法开挖的隧道中此类现象最为严重。超欠挖会改变围岩应力状态,造成应力集中,改变塑性区分布。并且超欠挖会导致围岩轮廓界线变得极不规则,使得喷射混凝土层厚度不均匀,致使支护结构的几何形态发生变异,进而甚至会影响支护结构的承载能力。本文依托闽浙交界某公路隧道,充分考虑超欠挖状态下围岩表面的不平整性,从理论分析与数值模拟两方面开展研究,分析超欠挖状态下支护结构的力学特性和超挖对围岩稳定性的影响。主要研究内容及结论如下:（1）总结了四种测量隧道轮廓界线和超欠挖数据的方法,并基于激光断面仪测量得到的超欠挖数据,使用小波分析方法研究了超欠挖断面轮廓界线的分形特征。研究表明超欠挖断面轮廓界线具有很强的分形特征和自相似性;并且随着围岩级别变大,超欠挖断面轮廓界线的分形维数也逐渐增大。（2）超欠挖会导致围岩表面不规则,简化这些不平整形状,从而提炼出基本超欠挖形状,依据喷射混凝土的覆盖厚度将超欠挖后的围岩表面轮廓分为三类:未完全填充、底部填充和完全填充;利用弹性厚壁圆筒理论,研究了三类围岩表面轮廓下支护结构的力学特性,并基于并联体系稳定性原则推导了锚喷支护和“钢格栅+喷射混凝土联合支护的刚度和最大支护力等力学参数。（3）基于收敛约束法开展了超欠挖状态下围岩与支护结构的相互作用研究,结果表明锚杆的刚度与最大支护压力对组合支护系统的刚度和最大支护压力的影响相对较小,初期支护的刚度和最大支护压力主要取决于喷射混凝土的支护刚度和最大支护压力值;考虑隧道超欠挖的工况下支护系统达到平衡时的支护抗力和最大支护压力均比不考虑超欠挖的工况小,说明超欠挖会降低支护结构的承载能力。（4）采用FLAC3D数值分析软件,分析超挖深度、范围和分布位置等不同因素对围岩稳定的影响。结果表明,Ⅳ级围岩条件下,在同一超挖分布部位,随着超挖深度的增加和范围的扩大,超挖对围岩稳定性的影响也逐渐增大;超挖特征值影响系数均小于1.1,表明小范围、浅深度的超挖对围岩稳定的影响程度有限;同等程度的超挖,围岩级别越高,对围岩稳定的影响越大;Ⅲ、Ⅳ级围岩条件下,同等程度的超挖发生在拱顶时最为严重,而V级围岩条件下,同等程度的超挖发生在拱肩时最为严重。