深埋硬岩隧道围岩稳定性研究

论文摘要

隧道埋深的增加,地应力逐渐增加,岩爆风险进一步加大,围岩变形的时间效应显著,而深埋环境下硬岩隧道开挖过程中围岩表现出特殊的非线性力学行为使得传统的岩石力学理论与分析方法面临着新的挑战。论文以国家杰出青年科学基金项目“岩土工程减灾（50625824）”为依托,开展深埋硬岩隧道围岩稳定性的研究:对围岩稳定的重要影响因素—二次应力场进行了研究,在此基础上针对深埋硬岩弹脆性破坏的主要形式-岩爆灾害进行了预测;分析了隧道围岩和支护结构的蠕变特性;借助耗散非线性科学理论,确定深埋隧道围岩的非线性动力学特征,即围岩稳定性与能量耗散之间的关系。论文的主要工作如下:①分析了测量隧道二次应力测试的改进的二次应力恢复法,即测定三个方向在应力解除前后应变的改变量,再进行二次应力恢复,根据应力恢复过程得到的压力,计算三个方向（ x、z和45°方向）的二次应力(σx、σz和σ45)。进行室内试验和数值实验求解改进应力恢复法的应力等效系数,探讨应力等效系数与岩石力学参数、围岩压力大小之间的关系,修正了改进的二次应力恢复法,从而系统的研究了改进的二次应力恢复法测定隧道围岩二次应力的可行性和正确性。②采用改进的二次应力恢复法对隧道深埋硬岩段进行了二次应力的现场测定,比较改进的二次应力恢复法与弹性力学计算结果。进而探讨了在深埋硬岩开挖隧道,接近和通过某一段面时,围岩主应力的变化以及开挖对平面应力和剪应力主要影响范围以及地应力的变化对隧道断面不同部位的二次应力场的影响。③分析国内外岩爆预测的判据,选择岩爆发生所需的力学条件、完整性条件、储能条件和脆性条件作为岩爆预测指标。引入岩爆预测的相对隶属度概念,计算了岩爆的相对隶属度模糊矩阵和预测指标的权重,以信息熵来描述并比较岩爆评价中的不确定性,定义了加权广义权距离来表征岩爆的差异。根据最大熵原理建立了岩爆预测的模糊最优化模型,对国内外一些岩石地下工程实例进行了分析,预测结果与其他方法的分析结果以及实际情况基本一致。并将模型运用于葡萄山隧道岩爆预测,预测结果与实际岩爆情况符合较好。进一步应用蒙特卡罗法讨论了岩爆指标的随机误差权重对于预测结果的影响。④采用MTS-815液压伺服系统对隧道衬砌的混凝土和微晶白云岩试件进行了三轴压缩试验和蠕变试验,分析了隧道衬砌混凝土三轴压缩蠕变变形的特点,认为采用摩尔-库伦准则和Burgers模型串联组合而成的粘弹塑性模型可以合理的描述衬砌混凝土和微晶白云岩的蠕变特性。组合模型的粘弹性状态与Burgers模型一致,塑性状态与M-C模型一致,它不仅能够反映衬砌结构蠕变过程,且能模拟材料的粘弹塑性变形特性,解决了典型Burgers蠕变模型只能描述粘弹性蠕变的缺陷。同时也研究了三轴试验条件下组合蠕变模型参数的求解方法,得到隧道衬砌混凝土和围岩的蠕变参数,建立数值分析模型,研究深埋硬岩隧道围岩的蠕变特征。⑤选取隧道深埋硬岩段典型部位多个点的剪切应变时间序列,进行相空间重构。计算隧道不同部位的非线性动力学指标:Lyapunov指数和Kolmogorov熵,定量分析围岩系统演化过程中变形的非均匀性和非线性稳定性,发现深埋隧道围岩系统演化对初始条件的敏感性,处于混沌状态。⑥对深埋隧道硬岩围岩进行了长期的监控量测,分析围岩变形,发现不同与浅埋隧道的变形特征。利用DGM（2,1）、全域法、局域法和混沌重构相空间-灰色DGM（2,1）最优组合模型对深埋隧道的围岩变形进行了预测,结果表明组合模型（全域法+DGM）的综合预测误差比全域法和灰色DGM（2,1）模型都小,精度也很高,能很好地预测深埋硬岩隧道围岩的动态变形特征,得到了与实测位移一致的预测结果。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状与评述
• 1.2.1 地应力场研究评述
• 1.2.2 岩爆灾害研究评述
• 1.2.3 隧道围岩与支护结构蠕变特征研究评述
• 1.2.4 隧道耗散非线性动力学特征研究综述
• 1.3 研究内容及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 深埋硬岩隧道围岩二次应力测试
• 2.1 引言
• 2.2 深埋隧道围岩二次应力测试方法
• 2.2.1 应力测试方法
• 2.2.2 改进的二次应力恢复法
• 2.2.3 改进二次应力恢复法的室内试验和数值试验
• 2.3 深埋硬岩隧道二次应力测试
• 2.3.1 二次应力现场测试
• 2.3.2 深埋硬岩隧道围岩二次应力特征
• 2.4 深埋硬岩隧道围岩二次应力特征的数值试验
• 2.4.1 三维数值分析模型
• 2.4.2 数值模拟结果分析
• 2.4.3 围岩二次应力的主要影响因素
• 2.5 本章小结
• 3 岩爆最大熵最优相对隶属度预测模型及其应用
• 3.1 引言
• 3.2 岩爆的影响因素和判据
• 3.2.1 岩爆的定义
• 3.2.2 岩爆的影响因素
• 3.2.3 岩爆预测的判据
• 3.3 最大熵原理
• 3.4 模糊集合理论
• 3.4.1 经典模糊集合理论及其局限性
• 3.4.2 工程模糊集理论中的相对隶属度、隶属函数
• 3.5 基于POME 的深埋隧道岩爆相对隶属度预测预测模型
• 3.5.1 岩爆预测的相对隶属度
• 3.5.2 岩爆模糊最优化预测模型
• 3.5.3 岩爆评价指标权重
• 3.6 岩爆预测模型在葡萄山隧道中的应用
• 3.6.1 葡萄山隧道岩爆预测指标
• 3.6.2 葡萄山隧道岩爆预测
• 3.7 进一步讨论
• 3.8 本章小结
• 4 深埋硬岩隧道围岩与支护结构蠕变试验研究
• 4.1 衬砌混凝土和围岩蠕变特性试验
• 4.1.1 试验系统
• 4.1.2 试件的制作
• 4.1.3 混凝土的三轴压缩试验
• 4.1.4 隧道岩石的三轴压缩试验
• 4.1.5 混凝土试件蠕变试验
• 4.1.6 岩石试件蠕变试验
• 4.2 混凝土和岩石的蠕变模型
• 4.2.1 蠕变模型的确定
• 4.2.2 Cvisc 粘塑性模型
• 4.2.3 蠕变参数的确定
• 4.3 隧道围岩与支护结构蠕变变形的数值分析
• 4.3.1 蠕变数值分析模型
• 4.3.2 蠕变参数的选取
• 4.3.3 计算结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 深埋硬岩隧道围岩非线性动力学特征研究
• 5.1 引言
• 5.2 深埋隧道围岩系统耗散结构形成
• 5.2.1 深埋隧道围岩耗散结构的形成
• 5.2.2 隧道围岩-支护结构的耗散结构的形成
• 5.3 深埋隧道围岩－支护系统的耗散结构熵
• 5.3.1 耗散结构熵
• 5.3.2 隧道围岩-支护系统耗散结构熵
• 5.4 深埋硬岩隧道围岩非线性动力学特征
• 5.4.1 Kolmogorov 熵
• 5.4.2 时间延迟与最佳嵌入维数
• 5.4.3 隧道特征点剪切应变率变化规律分析
• 5.4.4 隧道施工稳定特征Kolmogorov 熵研究
• 5.5 深埋硬岩隧道围岩变形非线性特征及预测
• 5.5.1 深埋硬岩隧道围岩变形特征
• 5.5.2 围岩变形的非线性预测
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录