基于损伤力学的隧道围岩开挖损伤特性研究

研究目的:隧道围岩损伤的存在直接影响围岩的力学特性和稳定性,如果控制不当,将可能造成围岩失稳、塌方事故,因此必须掌握围岩损伤特性及其演化机理,进而为围岩损伤控制提供依据。本文基于微震监测的现场实测结果,揭示不考虑构造应力条件下隧道开挖引发的围岩损伤分区特性,采用应变软化模型并引入损伤力学理论,推导隧道围岩损伤区范围的表达式,并与实测结果进行对比,进一步分析围岩损伤特性的影响因素。研究结论:(1)围岩高损伤理论预测和实测结果具有较好的一致性,且围岩越差时,两者差异越小;(2)围岩损伤区半径随着脆性系数λ/E的增大而增大,随着黏聚力c和内摩擦角φ的减小而增大;围岩高损伤区半径随着极限损伤参数D_(cr)的增大而增大,且增速越来越快;(3)极限损伤参数D_(cr)和脆性系数λ/E除了与围岩自身参数相关外,也与支护手段有关,通过有效的支护手段,可以将围岩损伤极限参数控制在较低的水平下,从而确保高损伤区范围较小;(4)本研究成果可为隧道围岩损伤预测及支护设计提供依据。

基于围岩虚拟支护力特性的隧道塌方机制及控制研究

为研究隧道塌方事故的典型模式及其演化规律,基于塌方案例统计分析结果,阐明隧道开挖面失稳塌方和关门塌方2类安全事故的基本特性,推导隧道围岩虚拟支护力纵向分布曲线,进一步从围岩应力释放角度揭示了虚拟支护力与2类塌方事故的关系,并给出了塌方事故的控制要求。研究表明:(1)开挖面失稳塌方和关门塌方2类由围岩和结构失稳引发的隧道塌方事故在事故次数(68%)、死亡人数(53.7%)和涉险人数(68%)方面占比较大,其中关门塌方事故单次事故涉险人数最多,潜在危害最大。(2)隧道开挖面处的围岩虚拟支护力随着黏聚力的减小而降低,开挖面后方2倍半径处围岩的虚拟支护力已大部分释放(<5%pi)。(3)围岩变形和虚拟支护力释放的第2阶段内,围岩变形急剧,围岩虚拟支护力急剧释放且释放量较大,此阶段是隧道塌方控制的重点。

软弱破碎围岩深埋隧道拱顶渐进性塌方机理及控制

隧道拱顶塌方事故是近年来隧道施工中造成重大人员伤亡的主要事故类型,危害极大。掌握隧道拱顶塌方的发生机理和演化规律是塌方事故控制的关键。基于上限变分法,建立深埋隧道拱顶塌方模型,推导出隧道拱顶塌方范围预测曲线,进一步结合软弱破碎围岩深埋隧道拱顶渐进性塌方特性,推导出隧道拱顶渐进性塌方范围全过程曲线,并与模型试验结果进行对比。据此提出拱顶塌方事故的安全性控制措施,揭示了预控制、过程控制两类措施下拱顶塌方控制机理和承载特性,并给出支护措施的围岩荷载确定方法。结果表明:隧道塌方宽度L随着初始黏聚力c_(0)和单轴抗拉强度σ_(t)的增大而增大,随着重度γ和非线性系数m的增大而减小;隧道塌方高度h_(1)随着抗拉强度σ_(t)和非线性系数m的增大而增大,随着初始黏聚力c_(0)和围岩重度γ的增大而减小;考虑围岩黏聚力和抗拉强度的多次衰减,隧道拱顶渐进性塌方的预测曲线与模型试验的规律较为符合;根据控制机理和目标,可将拱顶塌方控制措施分为预控制和过程控制措施;形变荷载与塌方荷载的比值κ随着初期刚度系数k_(0)、原岩应力p_(0)的增大而增大,随着塌方高度h_(1)、弹性模量E的增大而减小,且κ与隧道半径R和泊松比ν关系不大;围岩的形变荷载和总荷载均随着塌方荷载的增大而增大。