多因素影响下浅埋偏压隧道围岩稳定性分析及评价

作     者：郑芊 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭璇

授予年度：2023年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：偏压隧道 围岩稳定性 数值模拟 模糊评价 

摘      要：浅埋偏压隧道由于埋深较浅,在施工过程中难以形成承载拱,且通常存在地形结构复杂、围岩完整性差、地层富水等问题,导致围岩与支护结构的受力形式复杂。面对复杂的工程地质条件以及难以确定的荷载与支护结构力学特性,浅埋偏压隧道在施工后极易出现拱顶沉降、地表沉降及隧道衬砌净空收敛增大等问题,严重时甚至出现失稳破坏。本文基于某西南地区浅埋偏压公路隧道工程,利用控制变量法构建不同工况下的浅埋偏压隧道开挖施工模型,分别研究地表倾角、隧道埋深、渗流作用、施工工法以及开挖进尺等五个因素对隧道围岩稳定性的影响。并利用模糊层次分析法和模糊综合评价法建立浅埋偏压隧道开挖稳定性评价模型。主要研究内容和成果如下:(1)依据偏压隧道围岩荷载理论,探究隧道围岩压力与隧道埋深、地表倾角的关系。可以得到:围岩垂直压力随埋深的增加而增加,但增速递减,且在埋深为25m时最为显著。深埋侧垂直压力随地表倾角的增大而增大,浅埋侧则相反,随地表倾角的增大,两侧垂直压力变化速率均不断增大,在地表倾角从35°增长至45°时,两侧垂直压力的变化最为显著。(2)基于西南地区某公路隧道工程,构建地表倾角和隧道埋深等因素影响的九组计算模型,结果显示:在隧道埋深和地表倾角逐渐增大及渗流作用影响下,隧道围岩水平位移、拱顶沉降以及拱底隆起最大值均呈增长趋势;隧道初支结构的最大主应力和最小主应力最大值也不断增大。(3)通过构建不同施工工法和开挖进尺的隧道施工开挖模拟模型以探究施工扰动对隧道围岩稳定性的影响。结果显示:在保证围岩稳定性和施工效率的前提下,最优施工工法为预留核心土环形开挖法,最优开挖进尺为2m。(4)基于多因素影响下的浅埋偏压隧道围岩稳定性开挖模拟分析,确定影响偏压隧道开挖稳定性的岩土体参数、工程地质条件以及施工工艺三大类共计10因素指标,构建偏压隧道稳定性评价指标体系。基于模糊层次分析法计算各级指标权重,对定性指标进行定量和归一化预处理,再利用模糊综合评价法构建偏压隧道稳定性模糊评价模型。并将本文研究的偏压隧道工程实际指标代入验证,结果一致,均属于比较稳定Ⅱ级。