基于广义张-朱强度准则的深埋隧道围岩塑性分析及应用探讨

深埋隧道是交通建设中关键性和控制性的工程,近几年得到了迅速和蓬勃的发展。目前,深埋隧道围岩塑性分析,多采用Hoek-Brown强度准则,该准则只考虑了最大、最小主应力对围岩屈服的影响,与深埋隧道围岩三向受力的特征不符。根据Lee和Pietruszczak提出的递推计算方法,对围岩服从广义张-朱(generalized Zhang-Zhu strength criterion,简称GZZ)强度准则时的变形及周边应力分布进行了研究。发现当采用GZZ强度准则时,深埋隧洞洞壁位移、塑性半径明显减小,塑性区径向应力、环向应力均增大;中主应力系数增大,隧洞周边应力进一步提高。上述解法与引入面外应力解法相比,洞壁位移减小了26.6%,但塑性半径相差不大。应用GZZ强度准则计算了建平隧道围岩变形控制值,解决对深埋隧道围岩变形控制值认识模糊和无法有效判定的问题;继而改进开挖方案,有效提高了Ⅳ、Ⅴ围岩的掘进速度,实现了建平隧道安全快速的施工,获得了良好的工程效果。

GZZ岩体强度三维分析理论与深埋隧道应力控制设计分析方法

深部卸荷岩体表现出显著的三维非线性力学特征,浅埋隧道的设计方法和工程经验不适用于深埋隧道工程。传统计算模型未反映深部岩体力学特征,参数主要通过室内试验或位移反分析确定,缺乏实时、准确获取岩体参数并进行深埋隧道动态诊断的设计分析理论和方法。本文综述和研究了GZZ岩体强度三维连续分析的理论基础、参数原位取值方法及对深部岩体工程的适用性;考虑深部岩体三维强度和峰后剪胀效应的非关联塑性流动法则及弹塑性本构关系得到了岩石真三轴试验、模型试验、现场监测数据的验证;基于数字化原位测试获取岩体力学参数,可实现隧道工程三维正分析和动态设计,克服了传统位移反分析设计方法的局限;揭示了深埋隧道开挖面三维挤出变形规律和应力主轴旋转力学机制,阐明了中间主应力和三维应力状态对深埋隧道稳定的力学影响机制;探讨了“应力控制”设计分析方法和思路在隧道工程精确分析和精准控制中的作用,为深埋岩体隧道动态设计和智能建造提供理论依据与技术支撑。