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原文传递隧道危石垮落灾变演化机理与预测方法及工程应用

论文题名：	隧道危石垮落灾变演化机理与预测方法及工程应用
关键词：	隧道工程;危石垮落;孕灾机制;演化机理;预测方法
摘要：	十一五、十二五期间，我国隧道工程建设取得了长远发展，以“十三五”为契机，隧道工程建设揭开了新的篇章，随着交通、市政、水利隧洞建设规模和难度的不断增长，危石垮落事故以其频发性引发广泛关注，成为当下隧道及地下工程建设亟待解决的关键科学难题。隧道危石垮落事故难以有效遏制的主要原因在于，传统研究多针对具体工程，缺乏系统的隧道危石孕灾-致灾机理研究，尚未形成有效的隧道危石垮落预测方法及技术。　　本文以隧道危石垮落机理及预测方法为主要研究对象，以目前我国最大的双向八车道公路隧道群项目-济南东南二环港沟隧道为依托工程，通过案例分析、理论推导、室内试验、设备研发、数值模拟、模拟试验、现场试验等手段，系统研究了隧道危石垮落孕灾机制、预测理论及方法、动态演化机理及多元信息响应规律，取得了具有一定理论价值和工程意义的研究成果，主要包括: 　　1)通过大量案例统计分析，针对隧道危石垮落孕育-破坏-失稳全过程进行了系统总结和分类。从隧道危石孕育的地质及构造特征出发，提出了隧道危石的五带分布规律及三类孕灾模式;从隧道危石垮落驱动模式及破坏机制，系统提出了隧道危石的四类破坏机制;从隧道危石失稳机制及运动模式出发，提出了隧道危石的三类运动模式。首次提出了隧道危石的时空特征分类，建立了隧道危石垮落空间与发育形态的特征匹配关系，解决了隧道危石垮落区域的地质圈定问题。　　2)针对传统的块体几何封闭性及几何可动性原理进行了物理本质的拓展，进一步丰富了危石平动、转动、断裂三类失稳模式，提出了直接坠落、单面滑移、双面滑移、角点倾覆、角点旋滑、楞线倾覆、平移断裂七类运动模式，系统建立了三大类七小类隧道危石失稳运动模式的几何识别方法及以安全系数为标准的隧道危石稳定性分析模型，编写了隧道危石识别软件，形成了隧道危石识别系统，解决了隧道危石几何识别的理论及技术问题。　　3)研发了大吨位、多尺度岩体多功能直剪试验机，在满足常规直剪试验需求之外，能够满足单轴压缩、单轴拉伸、三轴压缩、拉伸剪切等多种试验需求。以之为基础开展了坚硬结构面直接剪切试验，采用整体轮廓最大起伏角及分形维数，进行了贯通结构面抗剪强度模型的修正;采用结构面贯通度及起伏角，进行了非贯通结构面抗剪强度模型的修正;为隧道危石稳定性研究提供了理论支持。　　4)针对提出的I-1，I-2，I-3三类危石，分别构建仿真模型，综合考虑直接开挖揭露及分步开挖揭露两种工况，研究危石位移场对施工卸载条件、构造应力条件及埋深条件的动态响应规律，揭示了隧道危石失稳过程的动态演化机制、运动模式转换机制及时空效应规律，从位移响应角度进一步论证了隧道危石垮落是有前兆，可预测的，为隧道危石垮落的预测及预警供了理论基础。　　5)研发了隧道危石失稳演化过程数控模拟试验系统，可实现裂隙岩体隧道开挖-支护全过程模拟，以之为基础开展了隧道危石失稳前兆演化模拟试验，系统研究了隧道危石垮落过程中位移场信息、温度场信息、声发射信息及振动信息的动态演化机制，揭示了隧道危石垮落过程多元前兆动态演化机理，解决了隧道危石垮落前兆多元信息筛选及敏感性排序问题，为隧道危石垮落监测模式设计提供理论基础。　　6)在济南东南二环京沪高速济南连接线港沟隧道进行了成果应用，创新性的提出了隧道危石风险地质区域图，隧道危石空间风险图，实现了隧道危石发育位置、失稳规模、失稳模式、安全系数的有效集成;建立了基于双目摄像的岩体结构动态跟踪及危石识别方法，解决了隧道掌子面编录及危石动态识别难题;形成了基于微震系统的危石群垮落影响范围监控技术，介绍了基于轻质材料回填再开挖法的危石群垮落治理技术，系统建立了隧道危石垮落灾害的静态评估-动态识别-实时监测-主动控制技术体系，为同类事故处置提供借鉴。
作者：	刘洪亮
专业：	岩土工程
导师：	李术才
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文