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原文传递隧道围岩垮塌非连续变形分析方法及灾变演化模拟研究

论文题名：	隧道围岩垮塌非连续变形分析方法及灾变演化模拟研究
关键词：	隧道工程;非连续变形;围岩垮塌;水力作用;流固耦合;数值模拟
摘要：	21世纪是我国隧道及地下空间大发展的世纪。随着以雅鲁藏布江下游工程、川藏铁路为代表的一批世纪工程的规划和修建，我国隧道工程建设步入了新的纪元，工程建设“由丘陵走向深山，由内地走向边疆”，所面临的地形、地质条件日益复杂，安全建设面临巨大挑战。隧道围岩垮塌灾害是节理硬岩隧道最为常见的地质灾害之一，具备强隐蔽性、强突发性、强破坏性、强致灾性特点，灾变过程涉及节理岩体渐进破坏和危险块体群大规模垮塌，防控难度极大，每年造成严重经济财产损失和人员伤亡。特别是在地下水与地应力耦合作用下，进一步加剧了隧道围岩垮塌灾害的风险性，亟待开展水力作用下的隧道围岩垮塌灾变机理研究，为隧道围岩垮塌灾害防控提供理论依据。　　本论文重点围绕“隧道围岩垮塌非连续变形分析方法及灾变演化模拟研究”这一主题，综合采用了案例分析、室内试验、理论分析、数值模拟等多种手段，重点针对无水条件和有水条件下的隧道围岩垮塌模拟方法及灾变演化模拟开展了研究，确定了三维非连续变形分析方法中时间步长和接触弹簧刚度的最优联合取值区域，提出了考虑隧道动态开挖-支护的三维非连续变形分析方法、建立了模拟隧道围岩垮塌全过程的三维DDA-SPH流固耦合模拟方法，研究了地下水压、隔水岩体块度等因素对隧道围岩垮塌链生突涌水灾害的影响机制，分析了疏水泄压、工法优化等措施对水力作用下的隧道围岩垮塌灾害防控的影响，为隧道灾害主动防控提供理论依据。主要研究成果包括: 　　(1)针对三维非连续变形分析方法中复杂块体系统模型构建及控制性参数取值的问题，本文融合AutoCAD和OpenTK技术，开发了三维非连续变形分析方法前处理程序;基于理论推导，重点分析了时间步长以及接触弹簧刚度对三维DDA数值计算结果的影响机制;其次，采用双块体自由落体模型，研究了单一时间步长对三维DDA计算结果的影响机制，确定了时间步长的合理取值区域;然后，考虑块体与块体之间的接触作用，采用双块体滑移模型研究了时间步长和接触弹簧刚度对三维DDA计算结果的联合影响机制，分析了不同时间步长和接触弹簧刚度取值组合条件下三维DDA计算结果与理论值的误差，并以此为依据，将时间步长与接触弹簧刚度的组合取值区域划分为Q1、Q2、Q3以及Q4四个分区，确定了时间步长与接触弹簧刚度的最优取值区域，研究成果可为三维非连续变形分析方法应用及发展提供有效参考。　　（2）针对传统3DDDA方法难以模拟隧道开挖过程的难题，本文提出了虚块体移除算法，在保证数组一致性的情况下将块体移出计算区域，并将该算法嵌入原始3DDDA程序，发展了适用于隧道及地下工程开挖模拟的改进3DDDA方法（3DDDA_EXC）;其次，基于静止块体自由落体模型和滑移块体自由落体模型，对比分析了理论计算结果与3DDDA_EXC模拟结果的差异性，以此验证了3DDDA_EXC方法的准确性;然后，采用3DDDA_EXC方法和离散单元法（DEM）模拟了块状岩体隧道开挖，对比分析了两种方法模拟得到的隧道洞周围岩变形情况，结果基本一致，进一步说明了3DDDAEXC方法在模拟隧道开挖卸荷效应的准确性。　　（3）针对3DDDA方法中的锚杆动态支护问题，本文提出了锚杆实时支护算法，并嵌入3DDDA_EXC计算程序，构建了考虑隧道开挖支护的三维非连续变形分析方法（3DDDA_ES）,实现了隧道开挖-支护全过程演化模拟，并以鲁南高铁黄家庄隧道为工程依托，开展了隧道开挖、支护的模拟，分析了隧道开挖、支护过程中关键块体运动情况以及锚杆轴力的演化过程，发现了隧道左、右拱脚部分锚杆轴力较小，对块体稳定性控制影响较小，并采用3DDDA_ES方法模拟了取消部分锚杆后的隧道开挖过程，取消部分锚杆后关键块体仍旧保持稳定状态，研究结果可为隧道支护参数设计提供理论依据　　（4）针对有水条件下的岩体结构面弱化机制，本文研究了充填物含水率、厚度对岩体结构面剪切性能的影响机制，首先采用三维激光扫描仪获取了工程岩体结构面三维形貌几何数据，并通过3D打印技术制备了含粗糙结构面的试件模具，预制含粗糙结构面的标准水泥砂浆试件;其次，依托“拉压剪”多功能岩石剪切试验机，开展不同软弱结构面含水率、充填度试件的常法向应力剪切试验（CNL）,分析充填物含水率、厚度对岩体结构面峰值抗剪强度的影响机制，建立了考虑充填效应的节理岩体抗剪强度计算模型，并将其嵌入到三维DDA计算程序中，形成了考虑结构面力学参数弱化的三维非连续变形分析方法。　　（5）针对水力作用下隧道围岩垮塌灾害中的两相介质耦合分析模拟难题，本文重点研究了基于3DDDA和SPH的流固耦合模拟方法，分别从接触检索、力学传递等方面阐述了DDA块体与SPH粒子的相互作用关系，并开展了ScottRussell激波试验和刚性球浸水试验的数值仿真模拟，对比分析了3DDDA-SPH的数值模拟结果与试验结果，以此验证了三维DDA-SPH耦合方法在解决流固耦合问题方面的准确性。　　(6)针对水力作用下隧道围岩垮塌灾变机理尚不明晰的难题，本文基于3DDDA-SPH流固耦合模拟方法，开展了隧道围岩垮塌链生突涌水灾害影响因素分析，重点研究了隔水岩体块度、地下水压以及岩体力学参数对隧道围岩垮塌灾害的影响机制，并分析了疏水泄压、施工优化以及注浆加固对隧道围岩垮塌灾害的防控效果，提出了基于数值结果的隧道围岩垮塌灾害防控措施，为灾害防控提供了理论依据。
作者：	范宏运
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	李利平;Chen Guangqi
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023