【摘 要】
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白垩系红砂岩是浩吉铁路阳城隧道隧址区的典型地层,在卸荷作用下存在剪胀、软化特性。但目前既有的隧道围岩弹塑性理论在描述其剪胀、软化性质方面仍不够完善,导致相关解析解难以准确反映实际工程中的围岩变形情况。另外,在隧道施工过程中存在喷混开裂、钢拱架弯曲等问题,对支护结构体系的柔性提出了较高要求。采用基于“柔性支护控制理念”的分阶段变形控制是不错的思路,但目前尚未存在利用分阶段施作特性的支护设计理论方法。
【基金项目】
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高铁联合基金项目（U1934213）课题；
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白垩系红砂岩是浩吉铁路阳城隧道隧址区的典型地层,在卸荷作用下存在剪胀、软化特性。但目前既有的隧道围岩弹塑性理论在描述其剪胀、软化性质方面仍不够完善,导致相关解析解难以准确反映实际工程中的围岩变形情况。另外,在隧道施工过程中存在喷混开裂、钢拱架弯曲等问题,对支护结构体系的柔性提出了较高要求。采用基于“柔性支护控制理念”的分阶段变形控制是不错的思路,但目前尚未存在利用分阶段施作特性的支护设计理论方法。为解决上述关键问题,本文以阳城隧道穿越红砂岩段为依托,从隧道围岩弹塑性分析、考虑分阶段施作特性的初支与围岩相互作用施工全过程分析,以及支护设计参数合理性分析三个方面展开深入系统的研究。主要形成以下结论:（1）将D-P准则与改进的统一强度准则相匹配,建立了修正强度准则表达式,以及中主应力计算公式,能合理考虑岩体的剪胀效应;基于修正强度准则和强度参数非线性衰减模型,结合弹塑性理论,得到能反映红砂岩地层力学特性的新型围岩弹塑性解析式;相比新型式,传统式低估了围岩强度条件,易导致支护设计偏保守;围岩主应力沿径深的分布规律受中主应力影响系数b影响显著,且σz计算值与（σθ+σr）2存在明显差异,既有研究的相关假设失真;不同b下的红砂岩地层隧道围岩特性曲线均可用函数y=Ae-x/t+y 0进行良好拟合。（2）提出了考虑分阶段施作的支护特征方程,包括钢拱架单独承载阶段、钢拱架和喷混共同承载阶段;从围岩弹塑性和支护分阶段施作特性两方面考虑,明确了围岩和初支的六种基本组合状态;结合弹塑性理论,建立了基于六种基本组合状态的隧道初支与围岩相互作用力学解析模型,并通过MATLAB编写了对应的数值求解流程;通过算例分析发现,钢拱架、喷混的起始施作位置以及支护刚度,对围岩变形控制效果和支护结构受力有明显的影响。相比于随挖随撑的传统支护设计方法,利用分阶段施作特性可有效提升支护体系的极限承载能力,改善其受力安全状态,为降低喷混厚度、节约工程成本提供了可能。（3）基于利用分阶段施作的支护设计参数确定流程,从围岩变形控制和支护受力安全两方面综合考虑,确定支护设计参数的敏感性排序为:未支护段长度n≈钢拱架单独承载段长度d>钢拱架刚度kse t>喷混刚度kshot;各参数的合理取值范围依次为:0～1.33m（n）、0～0.6m（d）、30～50MPa/m(kse t)、170～230MPa/m(kshot)。上述结论可用于指导红砂岩地层联合支护隧道的围岩变形预估和利用分阶段施作特性的支护设计,对其他具有应变软化性质的地层同样具有参考意义。
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