浅埋偏压隧道稳定性分析及其可靠度研究

【摘要】随着我国经济发展对综合交通网络和现代化城市建设的依赖性日益增强,浅埋隧道工程作为一种重要的交通构筑物型式,在丘陵山区斜坡地段公路、铁路建设和城市地下空间开发利用过程中往往不可避免,而浅埋隧道开挖引起的围岩应力、位移变化较之深埋隧道更为复杂,研究浅埋隧道稳定性和形变问题对于隧道设计、施工和理论研究具有重要意义。学术界和工程界普遍认为：企图采用一种理论,彻底解决各种不同地质条件下和不同使用目的的隧道工程的难题是不现实的,必须综合利用多种理论研究手段才可获得最佳效果。因此,有必要丰富、完善和拓展经典理论在浅埋隧道工程之中的应用,以期为浅埋隧道工程设计和施工提供科学理论指导。本文的主要研究内容如下：(1)基于极限分析上限定理和“切线法”非线性破坏准则,构建了考虑地表倾斜和隧底隆起的浅埋隧道围岩破坏机制,进而推导浅埋隧道极限围岩压力计算表达式,并运用非线性规划优化方法对目标函数进行优化求解。对典型影响因素的敏感性进行算例分析,探讨了斜坡坡脚开挖对围岩稳定性的影响。结合c、φ值分别取不同折减系数的综合强度折减技术,为浅埋隧道围岩稳定性评价提供一种新的思路和方法。(2)依托湖南省永吉高速公路龙潭坪隧道工程实例,以塑性区贯通为失稳判据,结合数值模拟方法和正交试验原理,辨明影响浅埋隧道围岩稳定性的主控因素。将浅埋隧道围岩稳定性极限上限分析方法、综合强度折减技术和可靠度理论有机结合,运用蒙特卡罗法计算浅埋隧道围岩的失效概率和可靠度指标,同时分析了c、φ值不同概率分布形式以及参数间相关性对隧道工程可靠度的影响。(3)基于极限分析上限定理,结合Hoek-Brown破坏准则和非关联流动法则,构建浅埋隧道掌子面三维多滑块型破坏机制,推导浅埋隧道掌子面支护反力计算式。运用非线性优化方法对目标函数进行优化求解,进而分析不同参数对浅埋隧道掌子面支护反力的影响规律,并对管棚注浆预支护条件下的浅埋隧道开挖掌子面稳定性进行拓展研究。(4)基于经典弹塑性理论,考虑岩土介质的应变软化效应,采用岩石材料的三线性应力-应变软化(弹性-塑性软化-塑性残余)模型和虎克-布朗(Hoek-Brown)强度准则,运用逐步求解法获得非对称荷载下圆形隧洞围岩弹性区、塑性软化区和塑性残余区的应力场、位移场和塑性区半径的近似解析解。(5)针对边坡开挖和隧道掘进共存的特殊工况,以经典弹塑性理论解析计算所得的围岩径向位移为最大隧洞收敛的初值,构建山体斜坡和椭圆形隧道非均匀收敛的随机介质理论分析模型,推导出边坡开挖和隧道掘进引起地表移动与变形的计算公式,并结合现场监测数据对计算结果进行验证,拓宽了随机介质理论的工程应用领域。
【作者】罗伟；
【导师】李亮；
【作者基本信息】中南大学，交通运输工程，2014，博士
【关键词】浅埋偏压隧道；稳定性分析；极限分析上限法；随机介质理论；可靠度理论；综合强度折减技术；非线性规划方法；非线性破坏准则；

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