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穿越断层带隧道建设关键力学问题研究

李科  
【摘要】:论文针对穿越大型断层破碎带隧道建设中亟待解决的复杂地质构造区域地应力场、断层破碎带岩体剪胀及各向异性非线性特性、隧道穿越施工引起的围岩变形局部化、断层破碎带大变形状态下隧道合理支护方式与支护时机等关键力学问题,采用数值模拟、理论分析与工程现场实测相结合的方法,利用位移不连续法(DDM)和有限元(FEM)作为计算手段,结合岩石力学、断裂力学、数学优化算法等,系统研究了断层区域地应力场分布规律、断层区域地应力场回归反演方法、断层带节理岩体的变形与扩容机理、断层带岩体力学参数的选取与评价方法、综合考虑支护强度与变形的支护理论与方法等。取得了相应的具有创新意义和应用参考价值的研究成果: 1)提出了DDM中考虑非线性结构面的迭代求解方法,从而可将既有线性与非线性节理模型代入DDM中对真实断裂构造岩体进行模拟,突破了非连续面压剪传统摩擦滑移DDM简化模式,拓展了DDM数值方法在结构面非线性有限变形问题中的适用性。 2)定量化系统研究了非线性断层对周围地应力场的扰动影响。采用DDM对非线性断层周围地应力场进行了计算分析,比较系统地研究了断层几何尺度、产状特征、断层面岩体物理力学特性对扰动地应力场的影响。结果表明:①随着断层法向与切向刚度的增大,断层对地应力场的扰动影响程度逐渐减小;②随着断层厚度-长度比的增大,断层对地应力场的扰动影响程度逐渐增大;③随着断层粘聚力c和内摩擦角φ的增大,断层对地应力场的扰动程度越小;④随着断层与最大主压应力荷载夹角的增大,断层对地应力场的扰动影响范围先增大后减小,在夹角为45°时扰动影响范围最大;⑤相较于采用摩尔库伦线性节理模型,在采用BB非线性节理模型时,断层周边应力与位移较大,应力场的扰动影响范围也较大,而断层自身的变形与应力则是摩尔库伦线性模型更大,在工程应用中须注意到两种模型的差异。 3)首次采用DDM与线性回归分析法相结合,建立了基于有限实测点应力状态的初始地应力场多元回归反演方法。假设初始地应力场是自重应力场与构造应力场的叠加,对各组成要素进行回归分析组成总的地应力场。将DDM地应力回归反演程序嵌入到Nelder-Mead参数优化算法中,解决了现有地应力回归反演方法不能同步实现岩体力学参数优化的问题,并应用到某地下硐室工程中,通过有限元回归反演进行对比,结果显示DDM回归反演结果较有限元回归反演更接近实测地应力值。 4)针对无实测地应力值的工程情况,提出以断层产状为目标函数的DDM多元回归反演方法。假设现有断层产状是由重力和地质构造作用产生,将该方法应用与两个隧道工程案例中,为工程设计与施工提供了参考。 5)构建了节理岩体粘弹塑性一维柱状模型,并结合三维球坐标系统将一维非线性粘弹塑性元件模型应用于破碎带岩体各向异性、非线性变形特性的定量模拟。同时通过节理岩体力学参数的三维空间分布情况,提出了基于物理力学参数均值及其方差概率分布的断层带节理岩体各向异性特征的评价方法,并建立了临界判断指标及合理力学参数的选取方法。 6)定量化研究了节理岩体变形和体积变化,揭示了节理岩体裂隙性扩容的机理。将节理岩体的体积变化分解为完整岩块和节理两部分,裂隙性扩容分为“节理受压扩展:原节理受压闭合、新扩展节理张开;卸载:新扩展节理闭合、原节理回弹张开”两个阶段,新旧节理的体积变化代数和决定了节理的总体积变化。当节理法向刚度与岩块弹性模量的比值大于某一临界值时,受压节理岩体的体积增大,即发生扩容,将该临界值定义为“临界刚度比”,荷载与节理夹角为30°时临界刚度比最小,即此时最容易发生裂隙性扩容。 7)揭示了穿越断层带隧道变形局部化特点:围岩变形随断层带与两侧弹性模量比Ej/Er呈负指数规律变化,Ej/Er越小隧道穿越断层带围岩位移的敏感性越高、变形局部化越显著;隧道轴向水平地压对隧道横断面位移影响甚微,而垂直隧道轴向地压对隧道开挖围岩扰动位移影响十分显著。 8)从支护结构强度及稳定性出发,建立了支护结构等效应力与隧道表面法向位移的相关关系,提出了基于支护结构强度和围岩变形的综合优化的支护理论与方法,给出了二次支护施作时机确定方法。


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