流变岩土体中浅埋隧道力学状态的时效理论解答及预测系统

The method for rapid preliminary assessment is significant in forecasting of disaster during shallow tunnel construction. Meanwhile, in order to analyze the influence of tunnel excavation on the existing structures, the method for fast calculation of displacement field of tunnel excavation should be presented. Compared with the numerical analysis, analytical solutions can provide a quicker, intuitive and convenient way to investigate the influence of related parameters and the variation of displacement and stress quantities with parameters, and provide a useful basis for evaluating the accuracy of more complex numerical analyses. In this project, by considering geomaterial rheology and construction process of the shallow tunnel in rheological rock mass, the analytical and semi-analytical method and solutions will be presented for circular and non-circular tunnels, twin and porous tunnels. The analysis for soil-liner coupling model will be carried out, as well as the simulation of three-dimensional effect of advancement is provided by the result of DEM analysis and monitoring data. On the basis of analytical solutions, the computer system with rapid prediction will be established to analysis the characteristics of surface settlement and displacement around tunnels in real projects. The computer system established in this project can quickly evaluate the time-dependent characteristics of stress and displacement fields caused by the construction of shallow tunnel under small deformation and similar mechanical conditions, and the influence of shallow tunnel excavation on the existing structure can also be analyzed. The new proposed method, theory and solution in this project will promote the development of analytical theory in geotechnical engineering and enrich the research and application of mechanics.

浅埋隧道施工灾害预估中，需要快速的初步评估方法；隧道开挖对既有结构的影响分析中，也需要结构所在位置位移场的快速计算方法。相比数值分析，精确解可以更快速、直观、方便地揭示主要参数的影响，获得力学响应关于参数的演化规律，并为数值解提供验证。本项目将采用严格解析或半解析方法，针对流变岩土体中浅埋圆形、异形断面隧道和双孔、多孔隧道施工展开研究，综合考虑粘弹性时效和施工过程，尝试建立流变问题精确求解方法和解答，以及土体-支护耦合系统的力学分析方法。结合离散元模拟和实测值给出空间效应的模拟方法和三维解。在此基础上形成基于解析解的计算机快速预测系统，以方便用于工程实际和其他科学研究。本项目建立的计算机系统可以用来快速评估小变形阶段相似岩土体条件下浅埋隧道施工引发应力、位移场的时效特性，以及进行既有结构的影响分析。本项目预期提出的新理论和解答将推进岩土工程解析理论的发展，同时将丰富力学理论的研究和应用。

隧道安全设计、施工中需要评估隧道/地层参数对围岩稳定及地层响应的影响。为获得参数影响的力学控制机理（即函数关系或其他解析形式），本项目利用解析简化模型方法对流变、衬砌-围岩相互作用、支护机理等问题展开边值问题研究，给出开挖和地表堆载下考虑岩土体流变特性、隧道复杂几何边界和布置、施工顺序时围岩力学响应和结构稳定的精确解析解，可以快速、直观、方便地揭示主要参数的影响，获得力学响应关于参数的演化规律，并为数值解提供验证，同时拓展经典力学在岩土工程中的应用。建立锚杆支护隧道的解析/数值-离散元耦合模型，再现非连续破坏下的锚杆支护机理。主要进展如下：. 采用严格解析或半解析方法，针对流变岩土体中浅埋圆形/异形断面隧道和双孔/多孔隧道施工问题，综合考虑初始重力场，地表堆载，地形情况，粘弹性时效，三维纵向推进效应和隧道分部/顺序开挖的施工过程等因素，建立了各种复杂工况、衬砌-围岩相互作用下流变岩体中隧道问题精确求解方法和时效解答。解答与同假定数值解一致，并可定性反映复杂模型的响应。基于解答对隧道形状、位置和施工的时刻、顺序等因素进行力学机理分析，给出了参考性建议。. 基于解答开发了计算机预测系统，通过界面参数的交互和个性化输入，可以快速得到各种工况下围岩位移/应力的分布和时程变化。. 考虑岩土体与支护相互作用，给出了对衬砌与岩土耦合的分析方法和解析解答，并将离散元引入到相关问题中，建立了解析解/有限差分-离散元分区耦合模型，提高了离散元在大尺度问题中适用性。从宏微观的角度对隧道工程中锚杆锚固机理进行了探究，通过优化颗粒胶结模型，给出了可忽略边界效应的试样最小尺寸，分析了锚固岩体的破坏模式和机理。. 本项目超额完成既定目标，提出的新理论和解答完善了现有的隧道施工稳定分析中的内容，推动了岩土工程解析问题基础研究领域的发展，丰富了力学理论的工程应用。