考虑渗流影响的深埋隧道围岩-衬砌相互作用研究

山岭地区深埋隧道经常处于高水压工况,渗流对于隧道围岩及衬砌结构安全有较大影响。基于Mohr-Coulomb准则,推导在渗流力作用下围岩和衬砌结构相互作用的弹塑性解析解,得到围岩塑性区半径、围岩应力、位移以及衬砌径向变形等与支护反力间的解析关系。进一步地,引入围岩收敛曲线(GRC)和支护特性曲线(SCC),分析隧道围岩和衬砌的非线性力学特性,采用收敛约束法求得洞周径向位移。依托牛和岭隧道深埋段工程,验证本文基于Mohr-Coulomb准则的理论解析方法的准确性,并针对富水山区隧道支护反力、塑性半径和洞周径向位移关系进行参数分析。研究结果表明:1)增加支护反力可以有效地限制塑性区的发展和洞周的径向位移,初始阶段限制效果明显,后续增加支护反力的效果逐渐减小;2)围岩塑性半径和洞周径向位移随渗流水压力的增大呈非线性增长;3)塑性区半径不变,低渗透性衬砌可以减小所需的支护反力以及洞周的径向位移。

衬砌背后空洞对围岩力学状态影响的试验研究

设计了3组室内相似模型试验,研究了拱顶背后空洞对围岩结构压力分布的影响机制,主要试验结论:衬砌背后空洞使拱顶上部围岩出现了卸载现象,而空洞两侧围岩压力在一定程度呈现压力集中现象;随着施加荷载的增加,空洞高度与范围的逐渐减小反而使得围岩压力集中现象逐渐减弱;衬砌背后空洞对空洞附近围岩接触压力及围岩应力状态产生了较大的影响,空洞的存在改变了围岩与衬砌之间的正常接触作用关系,使围岩结构与衬砌结构处于一种不利的受力状态,降低了围岩整体稳定性。

深埋圆形巷道围岩和衬砌相互作用解析解

围岩采用Mohr-Coulomb屈服准则、衬砌采用双线性本构模型,提出广义荷载作用下深埋圆形巷道中围岩和衬砌相互作用体系弹塑性解的解析表达式。在此基础上,研究了围岩的位移、位移灵敏度和塑性区等随广义荷载的变化规律。根据参数分析和实例计算得到:1)围岩或衬砌由弹性进入塑性,位移灵敏度将发生突变;2)位移灵敏度在弹性区和塑性区的交界面上发生突变;3)根据位移灵敏度的变化情况,可判断围岩和衬砌共同作用体系的稳定状况,并由临界塑性区半径比判断失稳区域的范围。