深埋硬巖隧道圍巖穩(wěn)定性研究.pdf

1、隧道埋深的增加,地應力逐漸增加,巖爆風險進一步加大,圍巖變形的時間效應顯著,而深埋環(huán)境下硬巖隧道開挖過程中圍巖表現(xiàn)出特殊的非線性力學行為使得傳統(tǒng)的巖石力學理論與分析方法面臨著新的挑戰(zhàn)。論文以國家杰出青年科學基金項目“巖土工程減災(50625824)”為依托,開展深埋硬巖隧道圍巖穩(wěn)定性的研究:對圍巖穩(wěn)定的重要影響因素—二次應力場進行了研究,在此基礎上針對深埋硬巖彈脆性破壞的主要形式-巖爆災害進行了預測;分析了隧道圍巖和支護結構的蠕變特性;

2、借助耗散非線性科學理論,確定深埋隧道圍巖的非線性動力學特征,即圍巖穩(wěn)定性與能量耗散之間的關系。論文的主要工作如下:
　　 ①分析了測量隧道二次應力測試的改進的二次應力恢復法,即測定三個方向在應力解除前后應變的改變量,再進行二次應力恢復,根據應力恢復過程得到的壓力,計算三個方向(x、z和45°方向)的二次應力(σx、σz和σ45)。進行室內試驗和數值實驗求解改進應力恢復法的應力等效系數,探討應力等效系數與巖石力學參數、圍巖壓力大小

3、之間的關系,修正了改進的二次應力恢復法,從而系統(tǒng)的研究了改進的二次應力恢復法測定隧道圍巖二次應力的可行性和正確性。
　　 ②采用改進的二次應力恢復法對隧道深埋硬巖段進行了二次應力的現(xiàn)場測定,比較改進的二次應力恢復法與彈性力學計算結果。進而探討了在深埋硬巖開挖隧道,接近和通過某一段面時,圍巖主應力的變化以及開挖對平面應力和剪應力主要影響范圍以及地應力的變化對隧道斷面不同部位的二次應力場的影響。
　　 ③分析國內外巖爆預測的

4、判據,選擇巖爆發(fā)生所需的力學條件、完整性條件、儲能條件和脆性條件作為巖爆預測指標。引入巖爆預測的相對隸屬度概念,計算了巖爆的相對隸屬度模糊矩陣和預測指標的權重,以信息熵來描述并比較巖爆評價中的不確定性,定義了加權廣義權距離來表征巖爆的差異。根據最大熵原理建立了巖爆預測的模糊最優(yōu)化模型,對國內外一些巖石地下工程實例進行了分析,預測結果與其他方法的分析結果以及實際情況基本一致。并將模型運用于葡萄山隧道巖爆預測,預測結果與實際巖爆情況符合較好

5、。進一步應用蒙特卡羅法討論了巖爆指標的隨機誤差權重對于預測結果的影響。
　　 ④采用MTS-815液壓伺服系統(tǒng)對隧道襯砌的混凝土和微晶白云巖試件進行了三軸壓縮試驗和蠕變試驗,分析了隧道襯砌混凝土三軸壓縮蠕變變形的特點,認為采用摩爾-庫倫準則和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構蠕變

6、過程,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。同時也研究了三軸試驗條件下組合蠕變模型參數的求解方法,得到隧道襯砌混凝土和圍巖的蠕變參數,建立數值分析模型,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點的剪切應變時間序列,進行相空間重構。計算隧道不同部位的非線性動力學指標:Lyapunov指數和Kolmogoror熵,定量分析圍巖系統(tǒng)演化過程中變形的非均

7、勻性和非線性穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)深埋隧道圍巖系統(tǒng)演化對初始條件的敏感性,處于混沌狀態(tài)。
　　 ⑥對深埋隧道硬巖圍巖進行了長期的監(jiān)控量測,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、局域法和混沌重構相空間-灰色DGM(2,1)最優(yōu)組合模型對深埋隧道的圍巖變形進行了預測,結果表明組合模型(全域法+DGM)的綜合預測誤差比全域法和灰色DGM(2,1)模型都小,精度也很高,能很好地預測深埋硬巖隧道圍巖的動態(tài)變形特征