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原文传递深埋隧道围岩破坏机理相关问题研究

论文题名：	深埋隧道围岩破坏机理相关问题研究
关键词：	深埋隧道;围岩破坏;分形损伤;地应力;岩爆预测;破坏机理
摘要：	随着我国隧道建设逐渐向着“长、大、深、群”方向发展，隧道快速施工及由于围岩破坏所致灾害的预测与治理成为面临的最主要任务，但由于隧道工程的复杂性和不可预见性，现有的隧道围岩破坏机理相关研究尚不成熟，大多仅仅停留在对应力状态和破坏判据的研究上，缺乏对深埋隧道围岩破坏过程的相关研究。本文结合国家自然科学基金重点项目“隧道及地下空间工程结构物的稳定性与可靠性”，以重庆市通渝深埋特长公路隧道为工程背景，从细观损伤力学和分形理论两个角度对深埋隧道围岩破坏机理进行了探讨，同时对其重要影响因素地应力也进行了测试分析和弹塑性有限元反演分析，在此基础上，针对深埋硬岩隧道围岩弹脆性破坏的主要形式---岩爆灾害进行了预测研究。本文所研究内容及获得的结论主要包括以下几个方面：（1）通过RFPA2D对深埋隧道围岩渐进破坏模式以及岩石细观损伤的模拟，得出深埋硬岩隧道围岩破坏顺序依次为拱顶开裂-左右拱肩裂纹扩展-左右拱肩深部裂纹，以拉裂破坏为主，石灰岩在单轴压缩条件下破坏形式为劈裂破坏，其破裂演化过程分为四个阶段：压密-弹性变形-损伤局部化-破坏单元贯通，与全应力应变曲线的各个阶段相对应，损伤围岩及岩石表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征，损伤过程中声发射数量可以表征损伤变量的变化。（2）通过对深埋隧道围岩节理裂隙及围岩损伤演化的分形特征的研究，得出了深埋隧道围岩破坏过程也具有空间及时间分布上的自相似性，并提出了用分形维数来判断深埋隧道围岩破坏度的方法。本文在盒计维法的基础上，应用Fractalfox2.0对现场实拍节理裂隙网络的照片计算了通渝隧道围岩的分维数，建立了空间维数、分形维数和损伤变量之间的定量关系：，并推广至零维、一维、二维、三维空间。（3）在利用Kaiser效应声发射法测试隧道地应力的基础上，运用同济曙光软件GeoFBA2D?V2.4对通渝隧道工程所在山体地层演化历史进行了弹塑性有限元分析，得到通渝隧道轴向现代地应力状况与隧道埋深、地层岩性及构造发育程度有关。研究表明，上述两种方法所获得的地应力成果与水压致裂法测试结果吻合，故在实际应用中，联合以上三种手段，对传统地应力测试手段进一步发展和拓宽，具有较好的适用性和可靠性。（4）在对岩爆的定义及相关影响因素进行分析的基础上，对现行岩爆预测判据进行了总结比较，提出了利用BP神经网络来预测深埋隧道岩爆的预测方法，并基于Visual C++6.0自主开发了岩爆预测系统，在通渝隧道岩爆预测中的应用结果表明，该方法可靠性较高。（5）通过对深埋隧道岩爆灾害成灾机理及其预测理论的研究机理，结合通渝隧道岩爆预测实例，认为采用人工神经网络预测岩爆时采用隧道切向应力、岩石单轴抗压强度、岩石单轴抗拉强度、岩石弹性能量指数、围岩最大切向应力与岩石单轴抗拉强度比、岩石抗压强度与抗拉强度之比等六大关键指标是合理可行的。本论文的主要创新点如下：（1）运用细观损伤力学对深埋隧道围岩渐进破坏及岩石细观损伤进行了演化过程分析，得出了该过程中声发射数目与岩石（体）损伤变量之间的关系，揭示了深埋隧道围岩破坏的声发射特性和损伤特性。（2）研究了深埋隧道围岩破坏的分形特性，提出了用分维数来定义隧道围岩损伤变量，建立了分形维数、空间维数和岩体损伤变量之间的定量关系，实现了分形特征和损伤特性的有机结合。（3）提出了将隧址区山体地应力演化历史的弹塑性有限元分析作为Kaiser效应测试地应力的辅助手段，并针对高地应力深埋硬岩隧道岩爆灾害，采用BP神经网络算法，基于Visual c++6.0开发了岩爆预测系统，预测结果与实际情况具有很好的吻合性。
作者：	康勇
专业：	采矿工程
导师：	李晓红
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文