详情

原文传递层状岩体引水隧洞围岩稳定性分析及分级中结构面产状评分细化

论文题名：	层状岩体引水隧洞围岩稳定性分析及分级中结构面产状评分细化
关键词：	层状岩体;围岩稳定性;数值模拟;结构面评分细化;超前预支护
摘要：	随着我国水利事业的蓬勃发展，引水工程、水电站、水利枢纽等一批批超级工程出现在我国各地的群山峻岭之间，伴随而来的一座座引水隧洞、排水隧洞等地下洞室嵌入在各类地质岩土体之中。本文为研究不同结构面产状下层状岩体引水隧洞围岩稳定性特征，通过收集国内外资料、现场踏勘进行理论分析，并以青海省引大济湟部分引水隧洞为工程依托，建立引水隧洞三维有限元计算模型，其中考虑了层状岩体结构面走向、倾角和层厚及与工程结构物的不同空间位置关系。在岩体层间加入界面接触单元来模拟软弱结构面，结合现场施工情况来模拟隧洞的开挖支护方法，计算不同走向、倾角、层厚下层状岩体引水隧洞的围岩位移、塑性区范围、应力的变化。在此基础上，对结果进行多指标基于AHP法的模糊综合分析，研究引水隧洞围岩分级中主要结构面产状评分精细化调整，最后进行了层状岩体引水隧洞超前锚杆支护效果分析，结果表明：　　（1）通过对实际隧洞施工案例进行统计和资料整理分析发现，层状岩体就像多层叠合在一起的“板”，层状岩体的强度与其节理系数既结构面的数量、倾角和强度密切相关，其隧洞破坏模式主要有顺层滑移破坏，坍塌破坏，岩体的折断破坏，不同岩层倾角下围岩隧洞破坏的位置不同，岩层走向与洞轴线平行时随岩层倾角的增加易破坏位置发生转变。　　（2）通过建立层状岩体结构面走向与洞轴线方向不同、倾角不同、层厚不同的26种工况有限元模型进行计算结果分析，发现在模拟隧洞施工过程中，拱顶沉降和底板隆起值基本都随着岩体倾角的增加而逐渐减小，边墙水平收敛值随岩层倾角的增加呈先减小后增加趋势，在岩层倾角为60°时达到最大，且不同岩体倾角围岩随隧洞开挖施工步骤的进行导致的拱顶沉降先快速增加而后趋于平缓。隧洞位移随着岩层厚度的增加而逐渐减小，当岩层较薄和软弱结构面数量越多时，隧洞稳定性越差。　　（3）围岩塑性区均在左右边墙中部位置处围岩塑性变形较大，沿竖直方向向两侧逐渐减小。在隧洞内部围岩塑性变形较大的位置均沿着结构面分布，不同层厚岩体随着岩层厚度的增加围岩塑性变形程度逐渐减小。不同倾角围岩最大剪应力均在左右拱脚和左右墙脚处最大，最大剪应变随围岩结构面岩体层化明显。不同倾角层状岩体都在左右边墙处大主应力较大，上拱圈小主应力衬砌内侧大于外侧，左右边墙处外侧小主应力大于内侧。　　（4）对有限元计算结果多指标采用基于层次分析法的模糊评分，进而得到结构面产状评分。随着岩层倾角的增加，拱顶和底板的评分都在增加，边墙评分呈先减小后增加趋势。通过拟合得出了结构面产状评分公式，计算出了水工隧洞主要结构面产状精细化评分表，除规范中提到的拱顶和边墙的评分，又对底板结构面产状评分做了研究，使水工隧洞不同岩层产状下拱顶、边墙、底板评分更加细化、准确。　　（5）根据摩尔库伦破坏准则，建立最不利倾角α=π/4+/φ2下围岩隧洞超前锚杆加固模型对比分析得出，超前锚杆预支护对抑制隧洞的拱顶和拱肩沉降加固效果较好，相较于无超前支护拱顶沉降和拱肩沉降分别减小了34.8%和41.9%;地表沉降减小了4.6%;对边墙的水平位移和底板隆起分别减小了14.9%和3.7%。超前预支护能够较小程度的扰动围岩，保持围岩的稳定，减小了塑性区范围。
作者：	王尚
专业：	岩土工程
导师：	梁庆国
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022