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隧道掘进中围岩岩爆及渗流研究

作　者: 袁杰
导　师: 张义同
学　校: 天津大学
专　业: 固体力学
关键词: 岩爆裂纹扩展自由边界渗流掘进面稳定性
分类号: U451.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着隧道掘进掘进技术的广泛应用,推动了世界各国基础设施的不断完善,但在隧道的施工过程中也遇到了一些技术难题,其中岩石隧道掘进中围岩岩爆问题与土质隧道掘进中掘进面的失稳问题是比较突出的两个问题。国内外学者对岩爆的形成机理已进行了大量研究,但还没有对岩爆形成机理形成共识,无法对岩爆现象做出准确地预测;而对于复杂地质隧道掘进面稳定性的研究尚未成熟,尤其是关于地下水渗流对掘进面的影响分析较少。因此,本文针对岩爆形成机理与掘进面稳定性进行研究,主要研究内容如下:(1)隧道围岩的应力应变状态为隧道围岩稳定性的分析提供了重要依据,采用非线性的Hoek-Brown屈服准则与非关联塑性流动法则,对深埋圆形隧道围岩进行弹塑性解析分析,推导了围岩弹塑性区应力、位移的表达式,得出围岩应力的分布规律。(2)建立了双轴压缩载荷下隧道围岩边界附近的裂纹模型,基于断裂韧性理论,运用对偶渐进法对圆形自由边界附近裂纹的扩展进行分析,获得了裂纹发生失稳扩展的临界应力,也就是岩爆发生的临界应力条件。(3)采用FLAC3D对盾构隧道进行三维数值模拟,通过分析渗流与土体应变软化对盾构掘进面极限支护压力、位移、塑性区范围以及地表沉降的影响。研究发现,渗流更容易导致掘进面的失稳,增大了极限支护压力。(4)将复杂地质掘进面稳定性的研究成果应用于天津地铁九号线的实例分析中,研究考虑地下水渗流时不同支护压力下开挖面前方土体变形的情况,根据地表的沉降情况预测出施工中的支护压力范围,将预测值与实际施工中土仓压力的监测值进行对比验证,符合较好。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-19
  1.1 选题背景  8-9
  1.2 国内外研究现状综述  9-17
    1.2.1 岩爆的研究现状  9-16
    1.2.2 复杂地质掘进面稳定性的研究现状  16-17
  1.3 本课题研究目的与意义  17-18
  1.4 本文主要研究内容  18-19
第二章隧道围岩的弹塑性分析  19-36
  2.1 概述  19-20
  2.2 Hoek-Brown 屈服准则  20
  2.3 轴对称载荷下围岩应力应变状态分析  20-27
    2.3.1 轴对称载荷下围岩弹性分析  21-23
    2.3.2 轴对称载荷下围岩弹塑性分析  23-27
  2.4 非轴对称载荷下围岩应力应变状态分析  27-35
    2.4.1 非轴对称载荷下围岩弹性分析  27-33
    2.4.2 非轴对称载荷下围岩弹塑性分析  33-35
  2.5 本章小结  35-36
第三章隧道围岩岩爆机理研究  36-54
  3.1 应力函数的复变函数形式  36-39
  3.2 围岩中初始裂纹扩展分析  39-44
  3.3 自由表面对裂纹扩展的影响分析  44-53
    3.3.1 裂纹与裂纹或自由边界相互作用的对偶渐进法模型  45-46
    3.3.2 近直自由边界附近裂纹的扩展分析  46-50
    3.3.3 自由边界形状的影响分析  50-53
  3.4 本章小结  53-54
第四章渗流对盾构掘进面稳定性的影响分析  54-63
  4.1 土体渗流的数值实现  54-57
    4.1.1 FLAC3D 简介  54-55
    4.1.2 渗流的数值模拟  55-57
  4.2 盾构掘进面的稳定性分析  57-62
    4.2.1 计算模型与本构关系  58
    4.2.2 渗流对掘进面极限压力比的影响  58-59
    4.2.3 渗流对掘进面竖向位移的影响  59-60
    4.2.4 渗流对掘进面塑性区扩展的影响  60-61
    4.2.5 渗流对地表沉降的影响  61-62
  4.3 本章小节  62-63
第五章天津地铁九号线盾构工程实例分析  63-77
  5.1 天津地铁九号线工程概况  63-64
  5.2 建立三维地质模型  64-68
    5.2.1 AutoCAD 中三维模型的建立  64-65
    5.2.2 ANSYS 中的网格划分  65-67
    5.2.3 FLAC3D 模型的生成  67-68
  5.3 数值分析计算  68-74
    5.3.1 初始地应力的计算  68-70
    5.3.2 不同支护压力下开挖面的水平位移情况  70-72
    5.3.3 不同支护压力下地表变形情况  72-74
  5.4 与施工监测数据的比较  74-75
  5.5 本章小结  75-77
第六章结论与展望  77-79
  6.1 论文主要研究成果与结论  77-78
  6.2 进一步研究展望  78-79
参考文献  79-85
发表论文和科研情况说明  85-86
致谢  86

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