隧道开挖过程中的三维土拱效应及分析方法研究

China is in the period of large scale construction of urban tunnel now. The inhomogeneous deformation of the surrounding rock will be affected and the transfer path of load in soil will be deviated in the tunneling excavation. And then soil arching can be formed. The soil arching effect is both the core problem in the deformation of tunnel surrounding rock and stability analysis , and the base which to determine the pressure of surrounding rock to design tunnel lining structure. In this project, tunneling excavation is taken as the research object, soil arching effect is taken as the core issue, and the dependency of stress path is taken as the main line. The research methods of theoretical analysis, model experiment and numerical simulation are used under the interaction theory framework to analyse the following three problems: 1) the numeral simulations of the mechanics property, constitutive model and the arching formation of soil under the excavation load; 2) the model experiment and field detection of tunneling excavation; 3) the analysis method of 3-D soil arching effect which includes the division standard between deep and shallow tunnel, the model of land subsidence, the analysis model of surrounding rock press and the evolution law during time. Original achievements of the modeling and analysis method about the 3-D soil arching effect will be achieved. The achievements can be used to establish the excavation scheme, offer the basis in the application of technical method, and can also be used to lay a foundation for theory of excavation and catastrophe controlling.

我国正处在大规模的城市隧道工程建设时期，隧道开挖扰动引起围岩土体的不均匀变形，导致土体中荷载的传递路径发生偏离，形成土压力拱。土拱效应是隧道围岩变形与稳定性分析的核心问题，也是确定围岩压力进行隧道支护结构设计的基础。本项目以隧道开挖为研究对象，针对土拱效应这一核心问题，以土的应力路径相关性研究为主线，综合运用相互作用理论采用数值模拟、理论分析与模型试验相结合的研究手段，研究"1)开挖荷载作用下土的力学特性、本构模型及隧道围岩土压力拱的形成过程数值模拟；2)隧道开挖模型试验与隧道施工现场监测；3)隧道围岩三维土压力拱效应分析方法，包含深埋隧道与浅埋隧道划分标准及地面沉降模式、围岩压力分析模型及其时变演化规律"三个层面的问题。在三维土压力拱效应模拟模型与分析方法方面取得原创性研究成果，成果可为隧道开挖系统方案的制定、技术措施的实施提供科学支撑，为隧道开挖原理与灾变控制理论的建立奠定基础。

土压力拱效应是地下工程开挖围岩变形与稳定性分析的核心问题，也是确定围岩压力进行支护结构设计的基础。本项目综合采用理论分析、模型试验和数值模拟三种研究手段，以隧道和基坑开挖为研究对象，研究土拱效应这一核心问题。取得的主要成果：1）在土的应力路径本构模型的基础上，建立土的三维弹黏塑性应力路径本构模型，可用于描述土体开挖时变形的时间效应；2）通过编写有限元材料子程序，将应力路径本构模型嵌入商业软件建立了土体开挖数值仿真模型；3）研发设计了一套隧道开挖模拟试验装置，利用试验数据验证了新建数值仿真模型，研究了围岩成拱模式与坍塌模式时土拱发生、发展机理和地层变形规律；4）提出划分深埋隧道与浅埋隧道的新方法，可较好地反映隧道开挖时围岩土体变形的宏观规律；5）定义了剪胀比的概念，提出了土质隧道围岩稳定性的评价方法，给出了临界剪胀比的确定方法；6）获得了考虑支护压力、土体物理力学参数的围岩应力和位移解析解，给出了不同支护压力下洞顶处开挖扰动区的边界，提出了临塑支护压力的概念，并给出了其解析表达式，获得了考虑塑性应力重分布影响的塑性区边界解析解；7）采用弹性理论和数值仿真相结合的方法，获得了隧道无支护稳定状态时拱顶处竖向位移和围岩变形压力公式；8）从不均匀变形、应力重分配、应力路径和地表沉降规律四个方面分析了隧道开挖过程中拱效应作用机理，获得了基坑支护中桩间距、土粘结力及土的抗剪强度对土拱效应的影响规律。发表论文14篇，其中SCI收录4篇，EI收录12篇；申请发明专利1项；获教育部科技进步一等奖1项(2, 2016)；培养国家优青1人、青年长江学者1名，博士生2名、硕士生7名，其中5人已获得硕士学位。研究成果可为城市地下空间的规划、建设提供科学对策，为城市隧道开挖系统方案的制定、技术措施的实施提供科学支撑，为隧道和基坑开挖原理与灾变控制理论的建立奠定基础。