深部复合地层隧道TBM施工岩爆孕育及控制机理研究

发布时间：2017-12-11 05:06

  本文关键词：深部复合地层隧道TBM施工岩爆孕育及控制机理研究

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【摘要】：随着TBM装备和施工技术的发展,TBM将成为我国交通、水利和资源矿山深长隧道施工的必然趋势。岩爆是深部隧道工程TBM施工中最严重的灾害之一,针对深部复杂地质构造环境,进行隧道TBM施工岩爆机理及控制研究具有十分重要的意义。本文以隧道TBM施工岩爆灾害为研究背景,综合运用实验室试验、理论分析和数值模拟相结合的方法,对深部复合地层隧道TBM施工岩爆的孕育演化机制及控制机理和技术进行了深入地研究,取得了如下创新性研究成果:(1)采用自主设计研制的真三轴岩石力学试验系统,系统开展了复合地层岩石在不同路径下的真三轴试验研究,获得了不同软硬岩石在真三轴条件下的变形规律、强度特征和破坏模式,并对真三轴试验过程中不同软硬岩石的声发射进行了监测和空间定位分析,研究了真三轴条件下不同软硬岩石的损伤破裂演化规律,揭示了不同软硬岩石在三维复杂应力路径下的力学特性和损伤破坏特征。(2)基于不同路径下复合地层岩石真三轴试验结果,利用弹塑性力学和损伤力学理论,考虑塑性和损伤共同作用对岩石力学特性的影响,建立了基于Mogi-Coulomb准则的岩石弹塑性损伤本构模型,推导了相应的增量型弹塑性损伤本构方程。运用塑性势理论,详细推导了该弹塑性损伤本构模型的差分计算格式,在VC++环境下实现了该模型在FLAC3D软件中的二次开发,并对不同软硬岩石真三轴试验结果进行了数值模拟验证,模拟结果与试验吻合度较高,表明基于Mogi-Coulomb准则的岩石弹塑性损伤本构模型能够较好的反应复合地层岩石在真三轴条件下的力学特性和变形特征。(3)利用建立的岩石弹塑性损伤本构模型,结合复合地层结构特点和TBM施工特征,考虑垂直方向上的上硬下软和推进方向上的软硬交替两种典型复合地层工况,系统研究了深部复合地层中TBM施工隧道围岩应力场、破坏场及能量场的分布演化规律,提出了适用于复合地层TBM施工隧道的岩爆判据,深入揭示了深部复合地层隧道TBM施工岩爆孕育机制及其演化过程。(4)利用建立的岩石弹塑性损伤本构模型,系统研究了不同围岩岩性和应力环境改造方法对深部复合地层隧道TBM施工岩爆的控制效果,优化分析了相关控制技术参数,揭示了基于围岩改造的深部复合地层隧道TBM施工岩爆灾害控制机理,形成了岩爆的围岩改造控制理论,并针对复合地层中TBM施工隧道岩爆发生特征,提出了深部复合地层隧道TBM施工岩爆控制技术方案和相应的岩爆分级治理措施,为我国深埋隧道TBM施工岩爆灾害的防治提供了参考依据。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U456.3
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本文编号：1277247