基于隧道监测数据的动态位移反分析研究及其工程应用
作者单位：中国矿业大学
学位级别：硕士
导师姓名：王迎超;韩立军
授予年度：2020年
摘 要：隧道在开挖施工过程中,隧道围岩的力学参数会随着时空变化而不断劣化,围岩参数的这种劣化对隧道的围岩稳定性有着重要影响。本文以宜兴市云岭隧道为工程背景,采用动态位移反分析的方法,对隧道的围岩参数劣化过程展开研究,并将动态位移反分析的结果应用于隧道围岩稳定和二衬合理支护时机的分析研究。根据宜兴市云岭隧道的具体情况和隧道监控量测的标准制定了云岭隧道的现场监控量测方案和围岩变形施工管理基准,并按照监测方案开展了监控量测工作。为了减少监测过程中产生的偶然误差,对现场监测的数据进行回归分析。前人的众多研究成果都表明位移反分析中考虑围岩松动圈的存在对提高计算结果的准确性有着重要意义,因此本文的位移反分析计算模型中考虑了围岩松动圈的存在,并使用地质雷达对现场松动圈的范围进行了探测。在掌握了隧道围岩变形数据和松动圈范围的基础上,采用动态位移反分析的方法,研究了隧道围岩的弹性模量随隧道开挖而不断劣化的具体过程,获取了隧道一固定断面的围岩参数与该断面距掌子面距离的函数关系。最后利用这一函数关系对二衬在不同时机支护条件下的隧道围岩的稳定性和二衬的最佳施作时机开展了研究。本文取得的主要研究结论和成果如下:(1)针对云岭隧道的现场量测到的隧道围岩拱顶沉降和水平收敛位移数据,采用三种函数模型对实测数据进行回归分析,最终获得水平收敛的变形数据的最佳拟合结果的函数解析式为S(28)14.1e,拱顶沉降变形数据的最佳拟合结果的函数解析式为S(28)n/(0.03(10)0.06n)。基于上述的拟合结果,评价了隧道的围岩稳定状况,并确定了二衬在变形速率准则和变形极限位移准则下的合理支护时机为距离掌子面16m。(2)为了更加准确地对隧道进行位移反分析计算,本文的动态位移反分析计算考虑了围岩松动圈的存在。通过对比多种松动圈探测方法,考虑到地质雷达法探测松动圈的优势,采用地质雷达法探测。本文通过对云岭隧道K1+880附近7m范围内的围岩松动圈进行探测,得到此处的围岩松动圈范围大致为2m深。为方便后期的反演数值计算,将松动圈范围简化为沿隧道边界向外均匀扩展2m,建立了双介质的数值模型。(3)为了探究隧道松动圈范围内的围岩弹性模量随隧道开挖而不断劣化的具体过程,本文开展了动态位移反分析计算研究。本文的动态反分析计算方法为,先假设围岩弹性模量随隧道开挖变化的劣化函数,再验证该函数的准确性。假设函数选取了一次函数和正弦函数两种函数形式,计算结果发现正弦函数的拟合效果最佳。最后取围岩弹性模量劣化的正弦函数表达式为E(n)(28)0.46sin(0.55n(10)1.16)(10)0.58。(4)利用上述的围岩弹性模量与该断面距离掌子面的距离n的函数关系式,开展隧道在不同时机施作二次衬砌对隧道围岩稳定的影响研究。选取二衬施作时距掌子面六种不同距离的工况进行数值模拟,发现随着二衬支护时间的向后推迟,隧道的拱顶沉降和水平收敛逐渐变大。为探究二衬的最佳施作施作时机,通过模拟二衬在不同时机施作条件下的二衬内力情况,确定了在最小支护抗力判定准则下最佳施作二衬的时机为距离掌子面20m处施作二衬。本论文有图42幅,表21个,参考文献105篇。
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