【摘 要】
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随着国家对基础设施建设的大量投入,在水利、交通、矿产、油气和国防等设施建设中存在大量隧道工程,隧道实际处于水平地应力与竖向地应力具有显著差异的非静水压力场,隧道塑性区边界线不再为静水压力场下的圆形。目前对非静水压岩石隧道弹塑性研究大多采用Mohr-Coulomb（MC）强度准则作为屈服准则,由理想弹-塑性模型描述岩石的强度变化,精度较高的研究方法包括摄动法、复变函数法和总荷载不变法,三种方法各有特
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（41202191）； 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金项目（SKLGP2020K022）； 长安大学中央高校基本科研业务费专项资金项目（300102282206）；
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随着国家对基础设施建设的大量投入,在水利、交通、矿产、油气和国防等设施建设中存在大量隧道工程,隧道实际处于水平地应力与竖向地应力具有显著差异的非静水压力场,隧道塑性区边界线不再为静水压力场下的圆形。目前对非静水压岩石隧道弹塑性研究大多采用Mohr-Coulomb（MC）强度准则作为屈服准则,由理想弹-塑性模型描述岩石的强度变化,精度较高的研究方法包括摄动法、复变函数法和总荷载不变法,三种方法各有特点。众多岩石强度试验表明,岩石强度的中间主应力效应存在且影响显著,弹-脆-塑性模型较理想弹-塑性模型能更准确地描述的岩石强度变化。因此,本文基于统一强度理论和弹-脆-塑性模型,考虑隧道围岩强度的中间主应力效应和脆性软化,采用摄动法、复变函数法和总荷载不变法分别建立非静水压岩石隧道塑性区半径和塑性区位移的解析解,然后探讨每种方法下所得解析解的适用范围,并进行对比验证和影响因素分析,结合收敛约束分析可有效指导非静水压岩石隧道的支护设计。主要研究内容及结论如下:（1）以统一强度理论作为非静水压岩石隧道围岩的屈服判据,由摄动法将非圆形的隧道塑性区边界和围岩弹性区应力求解转化为数学微分方程,通过逐阶求解每阶摄动参数问题下的围岩弹性区应力和隧道塑性区半径,建立了非静水压岩石隧道的塑性区半径脆塑性摄动解。非静水压岩石隧道塑性区的形状为椭圆形,摄动参数对隧道塑性区的大小和形状具有重要影响;随着中间主应力效应的增加,塑性区范围逐渐减小。（2）根据复变函数法将物理平面的隧道非圆塑性区边界线保角变换为复平面的圆形塑性区边界线,建立了统一强度理论下非静水压岩石隧道塑性区半径的脆塑性复变函数解,探讨不同强度准则下隧道结构的强度理论效应。材料模型、强度准则和侧压力系数均显著影响隧道塑性区范围,MC强度准则对应的隧道塑性区范围过于保守,应合理选择强度准则。（3）引入弹性区应力2阶摄动解,由总荷载不变法和统一强度理论建立了非静水压岩石隧道水平轴和竖向轴处的塑性区半径方程,继而根据几何相似原理拓展至其他各方位角,最后结合非关联流动法则推导塑性区位移解析解。非静水压力下不同方位角处的隧道塑性区半径、塑性区位移分布和围岩特征曲线均存在显著差异。（4）三种方法推导的非静水压岩石隧道塑性区半径和塑性区位移解析解,充分考虑了隧道开挖后围岩的弹塑性发展和分区,得到理论分析和现场实测结果的共同验证;所得隧道塑性区半径解析解的精度较高,MC强度准则解答和理想弹-塑性模型解答均为本文特例。
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