断层破碎区域隧道开挖的力学响应分析

发布时间：2020-04-02 01:45

【摘要】：随着西部山区高等级铁路、公路工程的不断建设,穿越复杂断裂带甚至活动断层的深埋隧道越来越多,这些复杂条件下的隧道区段,开挖后经常出现结构拱变形量大、底板隆起、初支破坏、二衬开裂等变形破坏,严重影响着隧道的安全稳定。因此,隧道断层破碎带的工程力学特性及其在隧道开挖过程中的力学响应特征,是西部山区高等级交通建设中亟需解决的重要工程问题之一。本文针对工程实际需求,以断层破碎区域隧道开挖的力学响应分析为主要研究内容,以宏观区域断层稳定与局部隧道围岩力学响应相结合的方法开展研究。首先,根据断层的形成、分类以及理论,选取判断断层稳定性的宏观判定方法,并基于若干断裂带的实测地应力数据,结合经典库伦滑动摩擦准则,分析了区域浅部构造的活动背景及其宏观稳定性,结果表明:断层稳定性判别时,运用“斜率法”对多地区有限数据点的判别不直观,对大量组地应力数据宏观判别时有其优异性;“平行界限法”对多地区有限组地应力数据的判别比较适用,可以通过序号快速检查出断裂危险带的部位和范围。然后,结合某穿越断裂带缓倾地层深埋隧道工程,通过室内力学试验获取岩石的力学参数,建立了无断层情况下的隧道开挖计模型并进行计算,通过模型计算结果与工程实际测试结果的比较,验证了计算模型的合理性。通过在上述计算模型中增加断层接触单元,计算并比较了隧道截面在有、无断裂带两种情况下,隧道围岩的应力特性、变形位移以及塑性屈服的变化特征,分析了断层对隧道开挖力学状态及其安全的影响。进一步,利用模型计算,从塑性屈服、位移场、应力场分布规律角度,对断层所在部位、断层倾度、断层厚度、断层模量等因素对隧道开挖过程的影响进行了研究。结果表明:当断层与隧道相交时,相交部位的塑性屈服区深度大幅增加,但断层带内的塑性区深度降低。断层所在位置对其相交或距离最近的隧道壁位移影响最大,而离得较远,影响甚微;水平断层的位置或有无断层对其在隧道壁底板处的主应力值影响很小,而在其他隧道部位有一定的影响。倾角垂直时的断层对隧道壁的影响最大,表现在拉长了相交域围岩围岩塑性区的分布和增大了位移量。断层越厚,相同深度处的总位移值越大,深度越深,差值越小。断层弹模较小时,断层带中的屈服区明显小于断层周围地带,且两者差异较大,随着弹模的增大,这两者差异逐渐减小直至消失;断层模量值很小时,断层与隧道壁相交处的位移量很大,随着模量值增大,位移量降低很快,呈现幂函数变化趋势。本文的研究方法及结论,可为后续该领域的相关研究提供借鉴,也可为上述穿越断层破碎区隧道建设的选址和设计提供一定依据。图39表6参69
【图文】：

地应力,地下工程

实现了自东向西的巨大延伸以及东部平原和西部山合。在此期间，隧道地下工程理论与应用的发展起着举足轻者付出了汗水与智慧。逡逑国“一带一路”和“西部大开发”等重大国家战略的持续推交通设施建设的大潮流已然拉开，高等级铁路、公路网络将部延伸。为了解决中西部复杂的地质条件对地下工程建设进步发展地下空间领域的基础研究在必行；与此同时，由浅入尤其是复杂地质条件下的深埋隧道建设日益频繁，对隧道建考验。逡逑造活动和地层变形影响了岩石应力场的变化，地应力场呈现力的各项参数直接影响隧道、矿井等地下工程的围岩稳定性［对区域地层尤其断裂带的稳定性有着很大关系，间接影响着。c彩镜叵鹿こ糖虻赜αψ刺捌渥饔没恚杂谘芯壳然戎卮蟮刂使こ涛侍庥凶胖匾饔谩ｅ义襄危濉鲥濉鲥澹殄危卞危蝈危蝈危翦危蝈危В翦危蝈危卞危у澹椋у危簦卞巍义系貍与中Ｗ九Ｋ■形？逡逑

内力分布,非连续,应力状态,结构面

程盼盼等［４Ｑ］以山区隧道施工中常见的ＩＶ级围岩为参照对象，利用模型试验和逡逑数值模拟研究跨断层隧道施工中围岩的渐进性破坏和受力变性特征。耿萍，何悦逡逑等％利用振动台模型试验结合数值模拟，研究了穿越断层破碎带隧道在地震荷载逡逑作用下的动力响应特性和内力分布，，表明衬砌内力与围岩条件有很大关系，围岩逡逑质量下降时衬砌受力增大，抗震性也随之减弱，并认为合理的抗震设防长度应为逡逑隧跨的３．５倍。逡逑１．２．３断层构造带周边的应力异常逡逑岩体地质构造、变化和非均匀性都会影响地应力的方向和大小，受断层填充逡逑物和围岩弹性模量相对大小的影响，结构面附近应力会出现以下几种情况［４２］：逡逑（１）如果结构面是张开的，最大主应力ｃｎ将逐渐趋向结构面平行方向，而最逡逑小主应力ｃｒ２为０；逡逑（２）如果结构面填充物材料与围岩材料相当，主应力方向不受改变；逡逑（３）如果结构面填充物材料是刚性的，最大主应力ｍ将逐渐垂直于结构面，逡逑最小主应力仍逐渐趋向结构面平行方向（见图１－２［４３］）；逡逑
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U455

【参考文献】