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原文传递层状围岩隧道块体失稳机理与垮塌范围预测方法及工程应用

论文题名：	层状围岩隧道块体失稳机理与垮塌范围预测方法及工程应用
关键词：	隧道工程;层状围岩;失稳机理;垮塌预测
摘要：	随着我国隧道等基础设施建设的跨越式发展，隧道修建常面临层状围岩环境，层状围岩在复杂地质作用下，节理和层理组合切割形成了独特的块裂层状结构。与一般层状围岩相比，块裂层状结构围岩破坏、变形发展不均衡，不同位置围岩稳定性存在明显差异，在隧道开挖过程中易造成因隧道围岩自稳能力下降引起的围岩垮塌灾害。由于其节理组合形式的多样性，导致围岩垮塌机制不清，从而难以实现垮塌范围的有效预测，致使施工人员生命安全问题面临巨大挑战，同时也制约着我国交通隧道的长久发展。要想实现垮塌灾害的有效防护，需要重点突破两个关键问题:一是系统揭示块裂层状围岩的垮塌模式与垮塌机理;二是实现围岩垮塌范围的有效预测。因此，本文通过开展物理模型试验以及数值模拟实验，系统研究块裂层状围岩隧道的垮塌模式与垮塌机理、围岩稳定状态预测与围岩垮塌高度预测方法，并进行融合程序开发，实现围岩垮塌灾害的有效防控。主要研究成果如下: 　　(1)根据块裂层状岩体中层理与节理的组合关系，将块裂层状岩体分为块裂层状错位结构、块裂层状混合结构、块裂层状平行结构。针对三种类型围岩失稳机理，开展物理模型试验研究，发现同等条件下，块裂层状错位结构隧道围岩较稳定，块裂层状平行结构隧道围岩最不稳定，块裂层状混合结构隧道围岩稳定性介于两者之间。提出通过研究块裂层状错位结构与块裂层状平行结构隧道垮塌机制，来圈定块裂层状隧道围岩垮塌范围的研究思路。　　(2)针对块裂层状错位结构，开展了不同层理倾角、间距等条件下的隧道围岩垮塌模拟，归纳总结了七种垮塌模式，研究了其垮塌机制;通过极差分析，得到各个因素对围岩垮塌高度的影响主次顺序为:层理倾角＞节理摩擦角＞隧道埋深＞隧道跨度＞节理粘聚力＞层理间距＞侧压力系数＞泊松比＞弹性模量;基于KNN分类算法及回归分析方法，构建了块裂层状错位结构隧道围岩垮塌高度预测模型，实现了块裂层状错位结构隧道围岩的稳定状态准确预判，并开展了物理模型试验对预测模型的准确性进行了验证。　　(3)针对块裂层状平行结构，开展了不同层理倾角、间距等条件下的隧道围岩垮塌模拟，归纳总结了六种垮塌模式，研究了其垮塌机制，得到各个因素对围岩垮塌高度的影响主次顺序为:层理倾角＞隧道跨度＞节理摩擦角＞隧道埋深＞侧压力系数＞层理间距＞层状围岩隧道块体失稳机理与垮塌范围预测方法及工程应用节理粘聚力＞弹性模量＞泊松比;建立了围岩稳定状态预测模型与垮塌高度预测模型，并通过室内物理试验验证了预测模型准确性，初步实现块裂层状平行结构隧道围岩稳定状态与垮塌高度预测。　　(4)基于MATLAB平台，开发了块裂层状围岩隧道稳定状态与垮塌高度预测程序，并以京沪高速港沟隧道为工程背景，开展现场应用，通过对比现场实际垮塌结果，验证了该程序的可行性;同时，依托青山隧道工程，运用该程序对隧道全段围岩稳定状态与垮塌高度进行预测，将隧道全段围岩划分为五种垮塌风险等级。
作者：	李尚安
专业：	建筑与土木工程
导师：	李利平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022