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铁道标准设计 2024年

作者：李万顺高新强赵静波董宇苍关岳卓尔樊浩博朱正国石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室石家庄铁道大学土木工程学院河北省交通工程结构力学行为演变与控制重点实验室中铁十八局集团有限公司河北地质大学城市地质与工程学院

依托穿越高地应力板岩施工段的某铁路隧道，从隧道现场采样，对板岩进行常规三轴压缩试验，得到板岩在不同围压下应力-应变关系曲线，建立板岩剪切强度与变形参数随围压变化的计算方法，探明不同围压下板岩变形与强度特性演变规律。在... 详细信息

依托穿越高地应力板岩施工段的某铁路隧道，从隧道现场采样，对板岩进行常规三轴压缩试验，得到板岩在不同围压下应力-应变关系曲线，建立板岩剪切强度与变形参数随围压变化的计算方法，探明不同围压下板岩变形与强度特性演变规律。在采用隧道远区连续介质和近区松动介质耦合的方法分析高地应力隧道变形规律的基础上，利用多元线性回归分析方法对三维数值模拟试验数据进行分析，分析了预应力锚固支护体系中不同支护因素的敏感性。通过L8(27)的正交设计方法，选取了预应力锚杆长度、预应力值、锚杆的环向和纵向间距、喷射混凝土的等级和厚度以及钢拱架的间距作为关键研究变量，对多项支护因素进行科学综合评价，通过计算得出常数项和回归系数后，建立了相应的回归方程。结果表明：所建方程显著不失拟，回归方程结果的拟合程度较好；钢拱架间距、锚杆环向间距、预应力大小和喷射混凝土厚度的水平F值超过了F0.001的临界值，表明其四种因素在控制围岩变形中起到了显著作用。因此，对于高地应力板岩隧道中初期支护的设计，这四种因素为主要影响隧道变形的因素应优先考虑，以确保支护设计的科学性和有效性。

关键词：铁路隧道板岩隧道高地应力隧道远区连续介质和近区松动介质耦合回归正交试验多元线性回归

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考虑围压效应的高地应力隧道初期支护参数优化

考虑围压效应的高地应力隧道初期支护参数优化

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作者：李万顺石家庄铁道大学

学位级别：硕士

本文依托某超大埋深铁路隧道,通过不同围压碳质板岩的三轴压缩试验,在建立碳质板岩力学参数随围压变化的计算方法基础上,考虑高地应力隧道开挖之后应力重分布会使得隧道洞壁近区围岩力学性能和完整性逐渐弱化,采用隧道远区连续介质和近... 详细信息

本文依托某超大埋深铁路隧道,通过不同围压碳质板岩的三轴压缩试验,在建立碳质板岩力学参数随围压变化的计算方法基础上,考虑高地应力隧道开挖之后应力重分布会使得隧道洞壁近区围岩力学性能和完整性逐渐弱化,采用隧道远区连续介质和近区松动介质耦合的方法,模拟高地应力隧道受力和变形特征。研究了高地应力隧道围岩变形的规律和影响因素,并对隧道支护体系优化。论文主要研究内容与成果如下: （1）建立了板岩力学参数与围压的数学表达式从隧道现场采样,采用岩石多功能试验机（MTS系统）,进行不同围压下碳质板岩的三轴压缩试验,加载至岩样破坏,获取了碳质板岩的全过程应力—应变曲线。建立了板岩剪切强度与变形参数随围压变化的计算方法,分析了不同围压下板岩变形与强度特性演变规律。（2）提出了隧道远区连续介质和近区松动介质耦合方法隧道开完结束后,利用FLAC3D计算的塑性区、体应变和剪切应变综合判定松动圈范围。围岩松动圈范围判定为隧道近区,随径向应力改变近区区域的围岩力学参数（变值）,其余区域划分为远区,即围岩参数不变化（定值）,实现了隧道远区连续介质和近区松动介质耦合分析。对比分析隧道远区连续介质和近区耦合前后,围岩变形、围岩应力场、围岩塑性区、钢拱架受力变化规律。结果表明:耦合后的围岩变形明显比耦合前的围岩变形大,耦合后的拱顶沉降速度明显比耦合前的沉降速度快,隧道开挖后应力重分布对中台阶水平位移的影响最大。（3）地应力水平对隧道变形影响规律研究在隧道近区随径向应力变化而改变该区域的围岩参数,研究得出了地应力水平对近区与远区介质耦合下隧道变形的影响规律:地应力水平由10 MPa到15MPa时,上中下台阶的水平位移变化较小;地应力水平由15 MPa到30 MPa时,中台阶水平位移增长的速度最大,证明随地应力增长,对中台阶的变形影响越大,应加强中台阶的支护措施。当地应力水平由10 MPa到30 MPa时,围岩塑性区深度和面积均增加,说明地应力水平越大,隧道开挖之后围岩应力重新分布范围越大。对于高地应力隧道,开挖后应力重分布导致隧道近区围岩强度和完整性劣化速度更快。（4）预应力锚索对变形对隧道变形影响规律研究系统锚索预应力由150 kN增加至700 kN的过程中,对围岩位移的影响程度大小是上台阶水平位移>拱顶沉降>中台阶水平位移>下台阶水平位移>仰供隆起。随锚索预应力的提高,围岩塑性区面积逐渐减小,证明预应力锚索可以提高隧道近区围岩的力学性能,使隧道近区围岩的承载力更高,对高地应力隧道大变形的控制具有积极作用。（5）基于高地应力板岩隧道变形影响因素敏感性研究,提出了高地应力隧道初期支护体系参数优化方法采用三维数值模拟技术结合多元线性回归正交试验的方式,对预应力锚固支护体系进行了综合分析,重点考虑了围压效应下各支护因素的敏感性,并对多项支护因素进行科学综合评价。采用L8（2～7）正交表,试验以预应力锚索长度、预应力值、锚索环向与纵向间距、喷射混凝土的等级与厚度、以及钢拱架的间距为研究对象,不考虑各因素间交互作用,进行了回归正交试验,完成了常数项与回归系数的计算,并据此建立了相应的回归方程。结果表明:预应力、预应力锚索环向间距、钢拱架间距以及喷射混凝土的厚度的F值均超过F0.001,表明这四种因素对于控制围岩变形具有显著效果;所建方程显著不失拟,显示出回归结果的拟合程度较高。因此,在高地应力条件下的板岩隧道初期支护设计阶段,应深入考虑锚索预应力、喷射混凝土的厚度、钢拱架的间距以及锚索的环向间距等因素,以此来调整和优化支护参数。

关键词：高地应力隧道隧道远区连续介质和近区松动介质耦合力学特性敏感性研究失拟性检验多元回归方程

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