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开挖卸荷下层状软岩隧道围岩大变形失稳定量风险分析
| 论文题名： | 开挖卸荷下层状软岩隧道围岩大变形失稳定量风险分析 |
| 关键词： | 软岩大变形;弹性模量;非侵入式随机有限差分法;风险分析;数值模拟 |
| 摘要： | 层状软岩是一种常见的工程地质体，其岩体力学参数具有显著的空间变异性特征。开挖卸荷下，层状软岩隧道围岩极易产生大变形失稳破坏，进而威胁施工人员及设备安全。为有效评价层状软岩隧道围岩大变形失稳风险，以郑万高铁保康隧道为研究背景，综合现场监测、统计分析与数值模拟等研究手段，开展了隧道围岩位移与松弛深度监测、岩体弹性模量转换与空间变异性表征、非高斯参数随机场的离散与围岩失稳破坏概率计算等一系列研究，实现了层状软岩隧道围岩大变形失稳的定量风险分析，主要研究内容如下： （1）开展了层状软岩隧道围岩表面位移、拱架压力与松动圈监测。结果表明，围岩劣化迅速，其变形破坏具有显著的左大右小对称特征。以位移监测数据为基础，以双线性遍布节理模型为本构模型，开展了岩体力学参数敏感性分析与智能反演，计算与检验了开挖卸荷下层状软岩隧道围岩变形及破坏分布规律，为以数值模拟为核心手段的定量风险分析奠定了计算基础。 （2）通过经验公式实现了弹性波速到层状岩体弹性模量的转换，采用概率论方法拟合了弹性模量的最优概率密度分布函数。以地质统计学理论为基础，开展了弹性模量的空间变异性研究，确定了弹性模量沿岩层走向和倾向上的变异函数及自相关函数。通过理论分析求解了弹性模量的当量均值及标准差、自相关函数特征值及特征函数、标准正态随机变量及截断项数，基于Karhunen-Loève级数展开方法构建了弹性模量参数随机场。以单元遍历为手段，实现了弹性模量参数随机场与FLAC3D网格的耦合。经检验，随机有限差分网格模型中随机参数的分布特征可有效表征层状岩体弹性模量的空间变异性。 （3）采用非侵入式随机有限差分法，计算了弹性模量随机分布下隧道拱腰部位围岩的收敛位移。以极限相对位移为指标，确定了隧道初期支护下围岩允许变形的极限状态方程。基于蒙特卡洛方法，计算了围岩变形破坏概率，实现了考虑层状岩体弹性模量空间变异性的围岩变形失稳定量风险分析。采用定量风险分析方法，分别对系统锚杆、钢拱架及超前注浆下围岩定量失稳风险进行了对比分析，确定了能有效抑制围岩大变形失稳的施工方法，为保康隧道安全高效施工提供了技术支撑。 |
| 作者： | 刘明照 |
| 专业： | 矿业工程 |
| 导师： | 陈东方;李邵军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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