深部隧道圍岩分層斷裂機理及其主次承載拱構建技術

《深部隧道圍岩分層斷裂機理及其主次承載拱構建技術》是依託湖南大學，由蘇永華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：深部隧道圍岩分層斷裂機理及其主次承載拱構建技術
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：蘇永華
• 依託單位：湖南大學

中文摘要

深部隧道圍岩呈現的許多超常回響現象，提出了大量迫切需要研究的新課題。本項目以揭示其中圍岩分層斷裂現象產生機理並構建相應支護方法為目的。在大型地下結構試驗平台上建造基於岩體結構的深部地層模型並在其內部安裝模擬隧道開挖的局部卸載裝置。採用聲發射檢測定位與光纖光柵感測技術聯合監測開挖導致的圍岩分層斷裂發生、擴展及停止的全過程。通過建立深部岩體力學的損傷突變破斷分析方法，結合試驗結果，導出表征分層斷裂圍岩分布形態、力學狀態特徵的解析公式，揭示圍岩分層斷裂現象的形成機理。研製基於分層斷裂機理的數值功能模組，將該模組植入FLAC軟體核心機構，改造並擴充其功能，構建深部隧道開挖數值模擬工具。基於斷裂圈分布形態機制，利用數值模擬工具，提出主、次承載拱聯合支護原理、設計方法及其構建技術。本項目將解決圍岩分層斷裂的有關問題，有效遏止深部隧道工程的相關災害，為深部地下工程圍岩各種超常破裂現象機理研究提拱借鑑。

結題摘要

隨著社會發展的需要，人們越來越需要在深部地層中開拓各種工程。由於深部區域存在高地應力、高地溫及高水壓，工程圍岩對開挖的回響及破裂與常規埋深的岩石地下工程圍岩存在差異，如分層或分區破裂現象。本項目在開發兩套獲得發明專利的專用試驗裝置的基礎上，通過系列的室內模型試驗、數值模擬計算及理論推演，對深部隧道圍岩分層斷裂機制及支護技術進行了深入探討。揭示了深部地層因素（包括岩體的峰後力學性質、熱力學特徵、地溫，等）和支護因素（包括錨桿錨固長度，間排距，預緊力及注漿）對分層斷裂啟動、斷裂層數目、斷裂層厚度、斷裂層間隔、斷裂層與完整層中應力與應變的影響機制。得出在一定的原始應力場中，圍岩峰後臨界塑性剪下應變值的大小對分層斷裂的出現起到關鍵性作用。將隧道工程岩體分級穩定性判據與強度折減法結合起來，通過模擬試驗確定了不同級別岩層中隧道圍岩變形與等效載荷變化（強度折減）的關係曲線。利用收斂變形速率特徵與圍岩狀態（連續或斷裂）之間的內在聯繫，建立了判斷圍岩失效的突變分析模型，提出了隧道圍岩自穩能力的表征指標及確定方法。在試驗觀察的基礎上，按照整體狀結構岩體，塊狀結構岩體和板樁結構岩體對於隧道開挖卸載的回響變形及屈服特徵，將深部地層岩體概化歸納為Hoek-Brwon材料介質和Duncan-Fama介質。在導出Hoek-Brwon和Duncan-Fama材料岩體介質中各種非規則斷面隧道等效縱向變形曲線，等效地層特徵曲線及各種組合支護結構特性曲線建立方法的基礎上，提出了以錨桿、噴射混凝土及鋼拱架等構件為支護單元的初期支護結構系統穩定程度的安全係數設計計算方法及非確定性分析方法。以研製的承壓岩溶水深部隧道施工工藝及錨注一體化的分段錨固式錨桿等專利技術為基礎，開發了分層斷裂圍岩的深部隧道工程承載拱構建技術。本項目的研究成果，在某種程度上為圍岩出現分層斷裂現象的深部隧道工程的穩定性分析提供了可供選用的方法及相應支護加固技術。