深埋硬巖隧道圍巖穩(wěn)定性研究.pdf

1、隧道埋深的增加,地應(yīng)力逐漸增加,巖爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大,圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)顯著,而深埋環(huán)境下硬巖隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖表現(xiàn)出特殊的非線性力學(xué)行為使得傳統(tǒng)的巖石力學(xué)理論與分析方法面臨著新的挑戰(zhàn)。論文以國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目“巖土工程減災(zāi)(50625824)”為依托,開(kāi)展深埋硬巖隧道圍巖穩(wěn)定性的研究:對(duì)圍巖穩(wěn)定的重要影響因素—二次應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上針對(duì)深埋硬巖彈脆性破壞的主要形式-巖爆災(zāi)害進(jìn)行了預(yù)測(cè);分析了隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的蠕變特性;

2、借助耗散非線性科學(xué)理論,確定深埋隧道圍巖的非線性動(dòng)力學(xué)特征,即圍巖穩(wěn)定性與能量耗散之間的關(guān)系。論文的主要工作如下:
　　 ①分析了測(cè)量隧道二次應(yīng)力測(cè)試的改進(jìn)的二次應(yīng)力恢復(fù)法,即測(cè)定三個(gè)方向在應(yīng)力解除前后應(yīng)變的改變量,再進(jìn)行二次應(yīng)力恢復(fù),根據(jù)應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程得到的壓力,計(jì)算三個(gè)方向(x、z和45°方向)的二次應(yīng)力(σx、σz和σ45)。進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值實(shí)驗(yàn)求解改進(jìn)應(yīng)力恢復(fù)法的應(yīng)力等效系數(shù),探討應(yīng)力等效系數(shù)與巖石力學(xué)參數(shù)、圍巖壓力大小

3、之間的關(guān)系,修正了改進(jìn)的二次應(yīng)力恢復(fù)法,從而系統(tǒng)的研究了改進(jìn)的二次應(yīng)力恢復(fù)法測(cè)定隧道圍巖二次應(yīng)力的可行性和正確性。
　　 ②采用改進(jìn)的二次應(yīng)力恢復(fù)法對(duì)隧道深埋硬巖段進(jìn)行了二次應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,比較改進(jìn)的二次應(yīng)力恢復(fù)法與彈性力學(xué)計(jì)算結(jié)果。進(jìn)而探討了在深埋硬巖開(kāi)挖隧道,接近和通過(guò)某一段面時(shí),圍巖主應(yīng)力的變化以及開(kāi)挖對(duì)平面應(yīng)力和剪應(yīng)力主要影響范圍以及地應(yīng)力的變化對(duì)隧道斷面不同部位的二次應(yīng)力場(chǎng)的影響。
　　 ③分析國(guó)內(nèi)外巖爆預(yù)測(cè)的

4、判據(jù),選擇巖爆發(fā)生所需的力學(xué)條件、完整性條件、儲(chǔ)能條件和脆性條件作為巖爆預(yù)測(cè)指標(biāo)。引入巖爆預(yù)測(cè)的相對(duì)隸屬度概念,計(jì)算了巖爆的相對(duì)隸屬度模糊矩陣和預(yù)測(cè)指標(biāo)的權(quán)重,以信息熵來(lái)描述并比較巖爆評(píng)價(jià)中的不確定性,定義了加權(quán)廣義權(quán)距離來(lái)表征巖爆的差異。根據(jù)最大熵原理建立了巖爆預(yù)測(cè)的模糊最優(yōu)化模型,對(duì)國(guó)內(nèi)外一些巖石地下工程實(shí)例進(jìn)行了分析,預(yù)測(cè)結(jié)果與其他方法的分析結(jié)果以及實(shí)際情況基本一致。并將模型運(yùn)用于葡萄山隧道巖爆預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際巖爆情況符合較好

5、。進(jìn)一步應(yīng)用蒙特卡羅法討論了巖爆指標(biāo)的隨機(jī)誤差權(quán)重對(duì)于預(yù)測(cè)結(jié)果的影響。
　　 ④采用MTS-815液壓伺服系統(tǒng)對(duì)隧道襯砌的混凝土和微晶白云巖試件進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn),分析了隧道襯砌混凝土三軸壓縮蠕變變形的特點(diǎn),認(rèn)為采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則和Burgers模型串聯(lián)組合而成的粘彈塑性模型可以合理的描述襯砌混凝土和微晶白云巖的蠕變特性。組合模型的粘彈性狀態(tài)與Burgers模型一致,塑性狀態(tài)與M-C模型一致,它不僅能夠反映襯砌結(jié)構(gòu)蠕變

6、過(guò)程,且能模擬材料的粘彈塑性變形特性,解決了典型Burgers蠕變模型只能描述粘彈性蠕變的缺陷。同時(shí)也研究了三軸試驗(yàn)條件下組合蠕變模型參數(shù)的求解方法,得到隧道襯砌混凝土和圍巖的蠕變參數(shù),建立數(shù)值分析模型,研究深埋硬巖隧道圍巖的蠕變特征。
　　 ⑤選取隧道深埋硬巖段典型部位多個(gè)點(diǎn)的剪切應(yīng)變時(shí)間序列,進(jìn)行相空間重構(gòu)。計(jì)算隧道不同部位的非線性動(dòng)力學(xué)指標(biāo):Lyapunov指數(shù)和Kolmogoror熵,定量分析圍巖系統(tǒng)演化過(guò)程中變形的非均

7、勻性和非線性穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)深埋隧道圍巖系統(tǒng)演化對(duì)初始條件的敏感性,處于混沌狀態(tài)。
　　 ⑥對(duì)深埋隧道硬巖圍巖進(jìn)行了長(zhǎng)期的監(jiān)控量測(cè),分析圍巖變形,發(fā)現(xiàn)不同與淺埋隧道的變形特征。利用DGM(2,1)、全域法、局域法和混沌重構(gòu)相空間-灰色DGM(2,1)最優(yōu)組合模型對(duì)深埋隧道的圍巖變形進(jìn)行了預(yù)測(cè),結(jié)果表明組合模型(全域法+DGM)的綜合預(yù)測(cè)誤差比全域法和灰色DGM(2,1)模型都小,精度也很高,能很好地預(yù)測(cè)深埋硬巖隧道圍巖的動(dòng)態(tài)變形特征