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原文传递高地应力断层破碎带隧道围岩稳定性研究及施工方案优化

论文题名：	高地应力断层破碎带隧道围岩稳定性研究及施工方案优化
关键词：	高地应力隧道;断层破碎带;断层状态;开挖方式;Hoek-Brown准则;数值模拟
摘要：	随着我国近些年来交通运输工程的发展，长大隧道在我国中西部地区修建时经常遇到“埋置深度大、地应力高、围岩破碎、高压富水”等施工难题，而隧道在穿越高地应力断层破碎带就是其中较为典型的工程问题。由于断层处围岩强度较低，裂隙发育，开挖后稳定性较差，在施工时容易造成拱顶坍塌和涌水突水等事故。因此，对于隧道穿越高地应力断层破碎带围岩变形规律及衬砌支护结构承载机理研究具有重要意义。本文依托栾卢高速象君山隧道工程，采用理论分析、现场试验与数值模拟等手段，研究了高地应力隧道断层处断层倾角、宽度、倾向和侧压力系数的改变对围岩位移和应力分布的影响，分析了不同开挖方式下隧道的变形特征及衬砌受力特点。得出了如下结论：　　（1）对象君山隧道的初始应力情况进行了判定，将隧道范围内围岩等级进行了划分，并对隧道洞身的稳定性做出了综合评价。　　（2）断层破碎带围岩变形和初支受力特征主要是受区域构造应力、最大主应力和岩体综合结构决定。依托现场F1、F2处断层及其影响区动态施工采集的数据，分析了断层破碎带围岩位移、围岩-初支间压力、混凝土应力、钢拱架应力随开挖步骤的变化特征。发现采用台阶法施工时围岩变形呈现非对称性，围岩水平向变形明显大于竖向变形，初支前期的压力主要由喷射混凝土承担（0~5d），后期主要由拱架承担（10~30d），围岩压力在空间分布上呈现出“上大下小”的分布特点。　　（3）推导了基于Hoek-Brown准则下（不考虑渗流条件）围岩弹塑性应力和位移公式，综合考虑了初始地应力、衬砌支护力、mi（岩石质量指标）、GSI（地质强度指标）等参数对围岩塑性区和变形规律的影响，现场实测值为94.4mm，理论计算值为89.82mm，二者之间误差较小，理论推导结果可用于未开挖区域围岩变形预测。　　（4）开展了高地应力断层破碎带隧道在不同状态下围岩的变形特点和压力特征研究，采用有限差分数值模拟技术，揭示了不同断层倾角、倾向、宽度以及不同侧压力系数对围岩对围岩位移场和应力场的分布规律和变化特征的影响。　　（5）采用数值模拟技术建立了采用四种不同开挖方式下的象君山隧道断层开挖模型，将断层处不同开挖方式下围岩位移和衬砌受力特征进行对比，发现采用预留核心土台阶法开挖时围岩的竖向变形和边墙的收敛值明显小于其他三种开挖方式，断层破碎带影响区域为断层宽度的1.37倍。开挖方式的改变对衬砌空间受力影响不大，最小主应力受侧压力的影响在拱顶和拱脚处应力值、明显大于其他位置。初支的最大主应力以受拉应力为主，在空间上呈现出“中间大两端小”的特点，拱腰和拱肩受拉应力最大。
作者：	王小伟
专业：	建筑与土木工程
导师：	翁效林
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022