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原文传递采空区隧道爆破开挖扰动下损伤围岩变形破裂特性研究

论文题名：	采空区隧道爆破开挖扰动下损伤围岩变形破裂特性研究
关键词：	隧道开挖;爆破施工;损伤围岩;变形破裂特性
摘要：	隧道开挖过程中，围岩因早期矿石开采等原因形成损伤破裂区，后期隧道爆破开挖则会加剧前期围岩破裂深度，形成深层破裂，使得损伤围岩再次破裂甚至发生重大灾害，鉴于此，本文以合川老君垭即建隧道为工程背景，对采空区隧道爆破开挖扰动下损伤围岩变形破裂特性进行研究，揭示了部分损伤围岩再破裂变形机理，其研究成果具有一定的理论价值和实际工程意义：　　（1）引用岩石统计损伤的理论，基于两参数Flexible Weibull的分布失效率函数推导出了损伤围岩在真三轴条件下的损伤演化方程，将其与试验得到的曲线相比较，结果表明，本文推导的本构模型能较好地反映损伤岩样在三轴受力时的应力-应变关系。　　（2）基于机器学习算法，利用Matlab软件编写的BP神经网络模型，获得了本文真三轴颗粒流数值模型的宏细观参数神经网络关系，得到了本文模型中宏观参数所对应的细观参数值，计算结果表明：采用神经网络模型构建模型宏细观参数关系的方法良好，相比于传统的试错法、正交-等值线法等更加的快捷有效，更利于研究岩石裂纹起裂、扩展和分叉等非连续问题。　　（3）通过离散元PFC软件，建立了初始损伤围岩真三轴动力扰动数值模型，分析了初始裂隙对岩样内部新生裂隙分布倾向、倾角和岩石内部颗粒走势等问题，研究了不同初始损伤围岩受动力扰动时岩样内的裂纹演化规律。结果表明：岩样内裂隙发展受方向应力大小和初始裂隙数量共同影响，总体表现为随方向应力的增加，裂隙越向较小应力方向扩展，同时抑制本方向的裂隙发育。　　原始裂隙会促进新的裂隙沿原有裂隙方向发展，阻断岩样内部新生裂隙的贯通，影响新生宏观裂隙的角度，研究表明当岩样初始损伤度从0增加至0.4时，岩样内345~15°和165~195°之间新生裂隙倾向分布由8.7%增加到11.3%，中间主应力σ2方向应力从5MPa增加到25MPa时，劣势σ3方向新生裂隙占比由39.9%增大到51.2%，优势σ2方向占比则由38.4%降低至25.2%。当初始损伤度小于0.2时，颗粒总体走向在竖直方向呈压缩趋势，在水平方向呈扩张趋势，与完整岩样基本一致。当初始损伤大于0.2时，岩样内部颗粒走向则呈四周向中间压缩趋势。　　初始损伤越大时，岩样破碎失稳前的新生裂隙数量越少，并且其中剪切裂隙减少的速率较张拉裂隙减少速率更快，使得岩样内部新生张拉裂隙较剪切裂隙越多，岩样破坏时由具有明显的宏观贯通裂隙逐渐转变为混乱状态而破坏。　　（4）建立了无采空区时隧道分段爆破卸荷开挖模型，得出隧道围岩横向位移最大处位于隧道拱肩处，其位移绝对值为-14.1mm，拱顶、拱脚处围岩水平位移几乎为零，隧道围岩竖向位移最大处位于隧道拱顶处，其位移绝对值为-22.1mm。隧道开挖轮廓线外围岩影响区，0~3m处围岩水平位移变化量大，0~3.5m处围岩竖向位移变化量大，为强影响区。3~15m处围岩段位移变化较小，趋于平缓，为弱影响区，对15m之外围岩则无太大影响。　　建模分析了不同位置、不同大小的采空区对隧道开挖时围岩的水平、竖向位移变化规律以及隧道损伤范围的影响。得出当采空区半径分别为1.0、0.8、0.5、0.2倍隧道开挖半径时，采空区对隧道围岩影响的安全距离分别为0.8D、0.6D、0.4D、0.4D。在设计的四种工况下隧道拱底与采空区之间围岩形成贯通损伤区域的临界距离分别为0.4D、0.4D、0.4D、0.2D。最终根据各种划分依据，划分总结出不同大小、不同距离下采空区对围岩造成的影响强度区域范围，并将其影响程度分为了强影响区、较强影响区和弱影响区三部分，科学的评估了采空区对隧道开挖时围岩的变形损伤影响。
作者：	田家林
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	刘礼标
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023