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原文传递基于工程地质条件重构的围岩溶蚀发育趋势及隧道安全评价

论文题名：	基于工程地质条件重构的围岩溶蚀发育趋势及隧道安全评价
关键词：	岩溶隧道;发育趋势;地质条件;钻爆法施工;围岩稳定性
摘要：	钻爆法施工后隧道围岩产生的节理裂隙为地下水渗流和岩溶发育提供了良好通道，改变了围岩工程地质条件和溶蚀发育状态，全寿命周期内隧道衬砌结构在地下水和围岩压力综合作用下将承受新的风险。以往的岩溶隧道围岩稳定性分析和隧道衬砌结构安全评价，很少考虑围岩工程地质条件的改变和围岩节理裂隙的溶蚀发育。因此，研究钻爆施工影响下的隧道围岩节理裂隙扩展规律、工程地质重构方法、围岩溶蚀发育趋势，对隧道衬砌结构安全评价具有重要意义。　　本文采用理论解析、现场试验、室内实验和数值分析相结合的手段，研究了爆破荷载作用下围岩节理裂隙的范围和扩展规律，以峨汉高速廖山隧道为研究对象，揭示了其岩溶发育规律和控制因素，重构了钻爆法施工的围岩工程地质条件，在此基础上，基于碳酸盐岩的溶蚀实验预测了廖山隧道的围岩溶蚀发育趋势，建立了岩溶隧道围岩的断裂扩展破坏（Ⅰ-Ⅱ型拉剪扩展破坏和Ⅱ型压剪扩展破坏）和剪切滑移破坏两种模式，并对全寿命周期内隧道衬砌结构安全进行了评价。主要研究内容和结论如下：　　（1）建立了爆破荷载作用下围岩受力单元体的三维模型，分别基于统一强度理论和摩尔库伦强度准则建立了围岩爆破粉碎区范围的计算方法，理论计算结果与现场爆破实验结果较为吻合，该计算方法适用于爆破荷载作用下隧道围岩节理裂隙范围的计算。　　（2）根据隧址区围岩节理裂隙的地质研究，以及爆破荷载作用下围岩节理裂隙的数值分析，系统研究了爆破荷载作用下围岩节理裂隙的扩展规律。结果表明，爆破荷载作用下围岩节理裂隙总是沿着层理扩展，并在层理之间产生小裂隙。爆破产生的应力波会被层理一定程度的阻隔，围岩越破碎，产生的裂隙也越多，但裂隙范围较小，当层理间距增大时，围岩裂隙减少，但裂隙扩展范围增加。　　（3）基于本文提出的隧道围岩破裂区范围计算方法、裂隙现场探测实验，建立了考虑钻爆施工影响的隧道围岩工程地质条件重构方法，该方法为隧道运营期间的围岩溶蚀发育趋势预测提供了地质基础。　　（4）通过碳酸盐岩溶蚀实验研究了灰岩和泥灰岩的溶蚀速率和溶蚀规律。结果表明，灰岩的静态溶蚀速率约为0~0.158cm/年，泥灰岩的静态溶蚀速率约为0~0.267cm/年；考虑机械侵蚀时，灰岩的溶蚀速率范围在0.140~0.252cm/年，泥灰岩的溶蚀速率范围在0.173~0.501cm/年，提出了泥灰岩机械侵蚀速率的计算公式vm=0.037Fr0.2(Lwh)0.5/年，理论公式计算结果与实验结果吻合较好。　　（5）以峨眉至汉源高速公路廖山隧道为研究对象，查明了隧道围岩溶蚀发育基本特征、影响因素，揭示了廖山隧道的岩溶发育规律，开展了基于地质条件重构的廖山隧道岩溶发育趋势预测。预测结果表明：廖山隧道围岩不同部位的溶蚀发育强度和规模由大到小依次为：边墙、拱腰、仰拱、拱顶，左右拱腰和左右边墙处围岩溶蚀发育强度和规模不对称；优势节理裂隙网络控制着围岩溶蚀发育的局部趋势，隧道运营100年时，围岩节理裂隙迹线长扩展值为26.07~50.10cm。　　（6）基于岩石统计断裂力学，针对岩溶发育部位与围岩节理裂隙的接触关系，开展了隧道围岩失稳破坏模式研究，提出了断裂扩展破坏（Ⅰ-Ⅱ型拉剪扩展破坏和Ⅱ型压剪扩展破坏）和剪切滑移破坏两种模式。基于本文提出的工程地质条件重构方法和围岩稳定性数值模拟分析，随着围岩节理裂隙的溶蚀扩展，衬砌结构的应力、位移和等效塑性应变在隧道运营50年和100年时显著增加，结构安全系数大幅降低。
作者：	李芳涛
专业：	岩土工程
导师：	胡志平
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022