隧道围岩的复合结构特性及其荷载效应

基于地层岩土体的结构性和工程扰动特点,建立复合隧道围岩结构模型,提出围岩结构稳定性及其荷载效应的计算方法,实现荷载结构模型与地层结构模型的耦合。隧道施工引起的应力释放伴随着应力的转移,通常是由围岩中的压力拱实现传递的,表现出围岩的渐进破坏特点,按其稳定性特点可将围岩分为浅层围岩和深层围岩;深层围岩破坏的不连续性和阶段性本质上是由其分组特性所致,而每一组围岩则呈现同步或几乎同步运动的特点,并且一组围岩的失稳随即在其外侧形成一组新的岩层结构,用以维持其外部围岩的稳定,表现为随时空转化的复合拱结构模式;每组深层围岩通常是由"结构层"和"荷载层"构成,其中分层厚度较大、强度和刚度相对较高的岩层作为结构层控制着整组围岩的稳定性,通常位于围岩组的内侧,而厚度较小、强度和刚度也较低的岩层则作为荷载层而作用在结构层上。揭示结构层的失稳机制并给出相应的判据;明确提出复合隧道围岩结构的荷载效应是由浅层围岩的给定荷载和深层围岩的形变荷载组成,给定荷载取决于浅层围岩范围和性质,而形变荷载组取决于对结构层控制位态和传力岩层的刚度条件。

复杂隧道围岩结构稳定性及其控制

作为隧道设计的核心问题,隧道围岩稳定性一直是隧道工程界研究的热点问题之一,能否对其准确评价是隧道穿越复杂地质条件安全施工的重要前提。针对该问题,首先通过模型试验对隧道围岩渐进破坏特征进行研究,指出围岩失稳破坏的阶段性特点,并通过对围岩失稳机理的分析,建立了隧道围岩失稳力学模型,提出了围岩失稳范围的确定方法。基于围岩失稳模式,将隧道围岩按其稳定性特点划分为浅层围岩和深层围岩,建立了复合隧道围岩结构模型,揭示了隧道围岩失稳的阶段性本质上是由深层围岩的分组运动所致,并就其结构稳定性特点进行了分析。考虑到地层条件的复杂多变,进一步对不同地层条件下复合围岩结构的表现形式进行了系统研究,提出了砂性围岩的"复合拱"效应和层状围岩的"梁式拱"结构型式以及"多层拱"效应,指出了各自的稳定性特点。最后,提出了复杂隧道围岩稳定性控制原理,研究成果可为隧道安全施工和支护设计提供理论依据。