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深部隧道围岩分区破裂化机理研究与数值模拟
| 论文题名： | 深部隧道围岩分区破裂化机理研究与数值模拟 |
| 关键词： | 隧道施工;深部隧道围岩;分区破裂化;开挖面卸荷函数;数值模拟 |
| 摘要： | 地下空间的开发不断向深部发展，在深部工程的开发过程中遇到了一系列伴随深部岩体工程响应且不同于浅部地下空间开挖的新的特征科学现象，其中一个特别的新现象就是分区破裂化；通过多种物理探测手段测得的现场实测数据表明深部隧道（巷道或洞室）存在分区破裂化现象，即在深部隧道周围以及开挖面前方会出现破裂区和非破裂区逐次交替出现的现象(破裂区-非破裂区-破裂区)；分布破裂化现象的研究对优化深部隧道支护结构有着重要的理论意义和工程实用价值。 分区破裂化存在于深部，本文总结了深部岩体与浅部岩体的性能差别，探讨了与深部岩体分区破裂化现象有关的现场观测实验和室内模拟实验的优势和不足；根据当前常用的强度准则的特性，分析研究深部岩体强度准则对深部岩体的适用性。 本文应用深部岩体破坏准则，基于平面应变模型研究深部隧道的分区破裂化产生机理，将开挖过程视为动态过程，构建开挖面卸荷形函数—余弦函数，来研究开挖卸荷过程，并对开挖面卸荷形函数和运动方程（围岩位移势函数）进行拉普拉斯变换，简化计算得到与半径有关的围岩位移势函数；考虑深部岩体破裂局部化完成后的应力场，揭示深部岩体分区破裂化现象的产生机理，通过工程算例，运用推导的围岩位移势函数计算出破裂区的半径以及破裂区的宽度，结果显示与开挖面卸荷函数为二次函数的计算结果基本一致，从而验证了本文构建的开挖面卸荷函数为余弦函数的合理性。 本文以锦屏二级水电站中的一条引水隧道为背景，结合现场工程地质和水文地质条件，运用大型有限元通用软件ANSYS建立深部隧道开挖平面应变模型，研究围岩应力场和塑性区的分布特性，分析围岩分区破裂化现象；同时，通过改变模型中的相关参数，计算分析深部围岩塑性区的变化规律，评价相关参数对分区破裂化的敏感性，为优化深部岩体隧道的设计与施工提供指导。 最后，根据深部隧道围岩分区破裂化机理，提出了“弱部强支”、“差异支护”的深部岩体隧道支护思想，通过设计差异锚杆来加固围岩，控制围岩变形，从喷射混凝土、锚杆的受力特性对初期支护效果进行评价。从锦屏二级水电站其中一条马蹄形引水隧道的模拟计算分析结果可知,“弱部强支”、“差异支护”这种方法是行之有效的，可维持深部隧道围岩的安全稳定，从而验证了“弱部强支”、“差异支护”用于深部岩体隧道支护的合理性。 |
| 作者： | 黄林华 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 陈秋南 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南科技大学 |
| 学位年度： | 2012 |
| 正文语种： | 中文 |
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