炭质页岩隧道大变形特性

本书针对典型的特定炭质页岩大变形单线铁路隧道，系统阐述了大变形隧道的地应力分析方法、开挖支护体系以及隧道支护结构劣化模拟与安全评价。全书共分为八章，包括绪论，炭质页岩大变形隧道的区域地应力，炭质页岩隧道大变形的成因机制，炭质页岩大变形隧道支护体系与开挖方法，炭质页岩隧道大变形现场监测，炭质页岩大变形隧道施工安全控制标准，炭质页岩非线性黏弹塑性蠕变模型，支护结构劣化损伤与围岩蠕变下的隧道安全。本书突出关键技术，重视基础理论，力求展示隧道大变形控制技术的新进展，以便读者更好地熟悉和掌握炭质页岩隧道大变形特性。本书适合隧道工程、岩土工程、道路与铁道工程等领域的高校教师和研究生阅读，也可供从事隧道工程相关研究、设计、施工和管理的技术人员参考。

第1章 绪论 1
1.1 隧道围岩大变形问题 1
1.2 隧道围岩大变形研究现状 2
1.2.1 隧道围岩大变形定义 2
1.2.2 隧道围岩大变形分级 4
1.2.3 隧道围岩大变形机理 6
1.2.4 隧道围岩大变形支护 7
1.3 本书内容 10
第2章 炭质页岩大变形隧道的区域地应力 12
2.1 地应力场回归原理 13
2.1.1 回归模型 13
2.1.2 回归系数 14
2.1.3 回归效果 15
2.2 地应力场回归实例 16
2.2.1 实测地应力 17
2.2.2 回归地应力 17
2.2.3 应力场特征 23
2.3 本章小结 24
第3章 炭质页岩隧道大变形的成因机制 25
3.1 软岩概念 25
3.1.1 地质软岩 25
3.1.2 工程软岩 26
3.2 软岩变形力学机制 26
3.2.1 物化膨胀型 27
3.2.2 应力扩容型 29
3.2.3 结构变形型 31
3.3 围岩大变形分类 31
3.3.1 松动大变形 31
3.3.2 膨胀大变形 32
3.3.3 挤压大变形 32
3.3.4 流变大变形 34
3.4 炭质页岩大变形机制 35
3.4.1 工程物理特性 35
3.4.2 物理力学特性 38
3.4.3 大变形影响因素 43
3.4.4 大变形机理 45
3.5 本章小结 46
第4章 炭质页岩大变形隧道支护体系与开挖方法 48
4.1 支护与围岩相互作用 48
4.1.1 喷射混凝土支护特征曲线 49
4.1.2 锚杆支护特征曲线 50
4.1.3 钢拱架支护特征曲线 51
4.1.4 组合支护与围岩相互作用 51
4.2 数值分析模型 52
4.2.1 模型边界 52
4.2.2 模型参数 53
4.2.3 分析工况 54
4.3 大变形隧道支护体系优化 55
4.3.1 不同边墙曲率 55
4.3.2 不同喷射混凝土厚度 61
4.3.3 不同钢拱架刚度 68
4.3.4 不同钢拱架间距 75
4.3.5 不同锚杆布设形式 81
4.3.6 不同超前加固长度 89
4.4 大变形隧道开挖方式优化 95
4.4.1 不同开挖支护方法 95
4.4.2 不同台阶长度 100
4.4.3 不同开挖进尺 106
4.5 施工工艺及现场试验 111
4.5.1 施工工艺 111
4.5.2 现场试验 126
4.6 本章小结 134
第5章 炭质页岩隧道大变形现场监测 136
5.1 监测方案 136
5.1.1 监测目的 136
5.1.2 监测内容 136
5.1.3 监测频率 138
5.1.4 监测元件 139
5.2 监测结果 139
5.2.1 洞周变形 139
5.2.2 围岩压力 143
5.2.3 钢拱架内力 144
5.2.4 锚杆轴力 146
5.2.5 接触压力 149
5.2.6 二次衬砌内力 151
5.2.7 围岩松动圈 152
5.3 大变形特征 154
5.4 本章小结 155
第6章 炭质页岩大变形隧道施工安全控制标准 157
6.1 现有标准 157
6.1.1 国外标准 157
6.1.2 国内标准 158
6.2 极限位移与位移速率控制标准 159
6.2.1 允许极限位移基准 159
6.2.2 允许位移速率基准 164
6.3 预留变形量控制标准 170
6.4 支护时机选择 171
6.4.1 围岩蠕变与支护时机 171
6.4.2 支护时机 178
6.5 本章小结 183
第7章 炭质页岩非线性黏弹塑性蠕变模型 184
7.1 岩石流变与蠕变 184
7.2 岩石蠕变模型 185
7.2.1 经验蠕变模型 186
7.2.2 组合蠕变模型 186
7.3 非线性黏弹塑性蠕变模型 193
7.3.1 非线性黏弹塑性蠕变本构 193
7.3.2 本构模型的二次开发程序 198
7.3.3 模型验证 202
7.4 本章小结 205
第8章 支护结构劣化损伤与围岩蠕变下的隧道安全 206
8.1 锚杆锈断模拟 209
8.1.1 锚杆模型 209
8.1.2 锈蚀力学模型 211
8.1.3 断裂力学模型 214
8.1.4 模型验证 215
8.2 钢拱架锈蚀模拟 219
8.2.1 锈蚀特征 219
8.2.2 锈蚀力学模型 222
8.2.3 模型论证 224
8.3 衬砌混凝土损伤模拟 231
8.3.1 混凝土损伤理论 231
8.3.2 混凝土统计损伤本构理论 233
8.3.3 混凝土统计损伤本构模型 237
8.4 炭质页岩大变形隧道安全 243
8.5 本章小结 251
参考文献 252
附录 257