软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 5.99MB 91 页 15积分

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摘要

当前我国隧道工程发展日新月异，但隧道围岩理论的发展相对于实际工程却

体现出一定的滞后性。隧道在开挖过程中极易发生塌方事故，而事故一旦发生，

生命财产损失、工期延误等将会接踵而来。因此，如何正确认识隧道围岩的破坏

机理，针对围岩破坏过程应当采取怎样的措施来预防灾害发生，已成为理论界和

工程界的首要研究对象。本文针对软弱破碎深埋隧道围岩，采用模型试验和数值

模拟相结合的方法对其渐进性破坏过程进行了深入研究，主要研究内容如下：

1、将新型压力传感器“FlexiForce”运用到岩土试验当中，代替了传统的土

压力盒，提高了试验的精度以及准确性。

2、利用同济大学能同时加载竖直荷载与水平荷载的大型试验机，研究不同

侧压系数下的软弱破碎深埋隧道的渐进性破坏过程。利用照相机进行直观破坏观

察记录，FlexiForce 传感器进行压力传感，光纤位移计进行位移监测，完成“高

精度、大模型、全记录”为特点的隧道模型试验。

3、根据在侧压系数 K不同情况下围岩的渐进性破坏过程，分出渐进性破坏

的各个阶段，得出岩体的侧压系数 K对围岩破坏机理的影响，随着隧道埋深增大

而增加。

4、采用有限元软件 FLAC3D 对相同模型试验条件下的进行模拟，将模拟的结

果与模型试验进行对照分析，得出隧道围岩的封闭最大剪切应变增量图形可以当

做判断隧道崩塌的一个判定方法。

关键词：深埋隧道,软弱破碎围岩,渐进性破坏,FLAC3D, FlexiForce

传感器

软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏研究

ABSTRACT

In spite of the rapid development of tunnel engineering in our country at present,

the development of the theory of surrounding rock lags far behind that of the actual

engineering. Collapse accidents are prone to occur in the process of excavation. Once

the accident happened, a series of problems such as loss of life and property or project

delay will ensue. Therefore, how to understand the failure mechanism of surrounding

rock, and what measures should be taken to prevent disasters caused by the failure

process of surrounding rock, have become primary study objects in theory and

engineering circles. With the method of model test and numerical simulation,

progressive failure process of weak broken deep buried tunnel surrounding rock was

studied in this paper. The main research contents are as follows:

1. Instead of the conventional earth pressure box, a new pressure sensor

“FlexiForce” was applied to the geotechnical experiment, improving the precision and

accuracy of the experiment.

2. By utilizing the testing machine in Tongji University which can apply vertical

load and horizontal load simultaneously, the progressive failure process of weak broken

deep buried tunnel under different lateral pressure coefficients was studied. Tunnel

model test characterized by “high-precision, large-model, full-record” was

accomplished, with damage directly observed and recorded through a camera, pressure

tested by “FlexiForce” sensor, and displacement monitored by an optical fiber

displacement meter.

3. According to the progressive failure process of lateral pressure coefficient under

different conditions of surrounding rock, progressive stages separated from destruction,

obtains the influence of lateral pressure coefficient of rock mass on the failure

mechanism of surrounding rock, which increases with increasing buried depth of tunnel.

4. Finite element software FLAC3D was used to simulate the process of tunnel

excavation and overload under the same model test condition. By comparing the

simulation results with the model test results, closed the maximum shear strain

increment graphics in the tunnel surrounding rock can be a method to judge the tunnel

collapse.

keyword：Deep tunnel, weak broken wall rock, progressive failure

FLAC3D, FlexiForce sensor

软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏研究

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................... 1

1.1 概述 ............................................................................................................ 1

1.1.1 问题的提出 ..................................................................................... 1

1.1.2 研究的意义 ....................................................................................... 1

1.2 国内外研究现状 ........................................................................................ 2

1.2.1 软弱围岩渐进性破坏研究现状 ..................................................... 2

1.2.2 侧压系数理论意义 ......................................................................... 2

1.2.3 相似模型试验系统研究现状 ......................................................... 3

1.3 本论文主要内容及研究方案 .................................................................... 5

1.3.1 研究内容 ......................................................................................... 5

1.3.2 实施方案 ......................................................................................... 5

1.3.3 研究方法 ......................................................................................... 6

第二章相似理论及试验设计 ....................................... 7

2.1 基本相似理论 ............................................................................................ 7

2.1.1 物理现象相似 ................................................................................. 7

2.1.2 相似常数 ......................................................................................... 7

2.1.3 基本相似常数 ................................................................................. 7

2.1.4 相似指标 ......................................................................................... 7

2.1.5 相似准则 ......................................................................................... 9

2.2 相似三定理 .............................................................................................. 10

2.2.1 相似现象的性质——相似第一定理（相似正定理） ............... 10

2.2.2 相似判据的确定——相似第二定理（相似π定理） ............... 11

2.2.3 相似现象的必要和充分条件——相似第三定理（相似逆定理）

........................................................................................................................ 11

2.3 基本模型试验相似准则的导出 .............................................................. 12

2.3.1 用量纲分析法导出相似准则 ....................................................... 12

2.3.2 用方程分析法导出相似准则 ....................................................... 13

2.4 开挖方法选择 .......................................................................................... 17

2.4.1 全断面开挖法 ............................................................................... 17

摘要

2.4.2 台阶法施工 ................................................................................... 18

2.4.3 中隔壁法（CD 法） ..................................................................... 18

2.4.4 交叉中隔壁法（CRD 法） .......................................................... 19

2.4.5 双侧壁导坑法 ............................................................................... 19

第三章模型试验与结果分析 ...................................... 21

3.1 试验仪器设备介绍 .................................................................................. 21

3.1.1 试验压力机 ................................................................................... 21

3.1.2 压力监测系统 ............................................................................... 23

3.1.3 位移传感器系统 ........................................................................... 27

3.2 试验方案 .................................................................................................. 30

3.2.1 试验计划 ....................................................................................... 30

3.2.2 试验过程 ....................................................................................... 30

3.3 K=1.0 渐进性破坏过程 ........................................................................... 35

3.3.1 破坏过程与破坏形状 ................................................................... 35

3.3.2 渐进性破坏过程 ........................................................................... 35

3.3.3 围岩应力与位移变化规律 ........................................................... 38

3.3.4 结论 ............................................................................................... 43

3.4 k=0.5 渐进性破坏过程 ............................................................................ 43

3.4.1 破坏过程与破坏形状 ................................................................... 43

3.4.2 渐进性破坏过程 ........................................................................... 43

3.4.3 围岩应力与位移变化规律 ........................................................... 46

3.4.4 结论 ............................................................................................... 52

3.5 本章小结 .................................................................................................. 52

第四章基于 FLAC3D 的渐进性破坏模拟 ............................. 54

4.1 模型试验的缺点 ...................................................................................... 54

4.2 FLAC 的基本理论 ................................................................................... 54

4.2.1 有限元法与有限差分法求解过程 ............................................... 55

4.2.2 本构模型 ....................................................................................... 56

4.3 数值模拟过程 .......................................................................................... 61

4.3.1 模型建立过程 ............................................................................... 61

4.2.2 模拟过程 ....................................................................................... 61

4.3 隧道渐进性破坏研究及其结果分析 ...................................................... 63

4.3.1 K=1.0 数值模拟结果 .................................................................... 63

软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏研究

4.3.2 K=0.5 数值模拟结果 .................................................................... 67

4.3.3 讨论 ............................................................................................... 70

4.4 渐进性破坏过程的数值模拟 .................................................................. 71

4.4.1 K=1.0 渐进性破坏过程 ................................................................ 72

4.4.2 K=0.5 渐进性破坏过程 ................................................................ 76

4.4.3 讨论 ............................................................................................... 79

4.5 本章小结 .................................................................................................. 80

第五章结论与展望 .............................................. 81

5.1 结论 .......................................................................................................... 81

5.2 展望 .......................................................................................................... 81

参考文献 ....................................................... 83

致谢 ........................................................... 87

攻读硕士学位论文期间发表论文及科研情况 ......................... 88

软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏研究

第一章绪论

1.1 概述

1.1.1 问题的提出

十七世纪，欧洲开始进入运河时代，并陆续修建了许多运河隧道。十八世纪

二十年代前后，伴随着铁路运输业的兴起，法国、英国等欧洲国家率先开始修建

铁路隧道，随着铁路运输业的发展，美国和日本也开始自主修建铁路隧道[1]。二

十世纪初期，北美洲、欧洲一些国家的铁路开始形成网络，建成了 20 座大于 5公

里的长隧道。当时世界上最长的山岭铁路隧道是大清水双线隧道，于 1981 年建

成，长达 22228 米。

我国是一个多山国家，山地和丘陵占国土面积的三分之二。穿越这些地区的

隧道和地下工程常常遇到软弱围岩体，并受到高地应力的困扰，从而导致软岩大

变形等地质灾害，给地下工程界造成了严重困扰。软岩工程开挖后，支护系统除

了受到松脱岩石的自重，还受到随时间增长的变形压力。围岩变形的主要影响因

素包括岩体性质、原岩应力及支护刚度，且围岩变形随时间增长而发生改变。大

量的隧道工程表明，所有的围岩岩体破坏失稳都不是瞬时的，而是有一个时间历

程。其原因主要有个方面：一是开挖过程中施工因素的影响导致围岩表观层次的

损伤；二是隧道开挖后，随着开挖面附近荷载的变化，围岩内应力重分布，不连

续面不断的蠕变、演化，产生宏观断裂而引起的工程失稳。由此可见，软弱围岩

的变形破坏是渐进性的。

综上所述，隧道的破坏不是一个突变结果，而是一个慢慢变化的过程，而这

个过程是否有着自己的规律，则需要我们进行调查、研究、试验、探索。

1.1.2 研究的意义

之前已有学者如汪成兵[5]研究过浅埋隧道（埋深小于 100m）的渐进性破坏过

程，但是对于深埋隧道（埋深大于 100m）还未有人进行研究，国家发展速度日新月

异，对于深埋隧道的开挖要求也日益增多，故对此的研究迫在眉睫。

本文依托同济大学岩土及地下工程教育部重点试验室开放基金资助项目（No.

KLE-TJGE-B1108），并以杭州市萧山区新城路人防工程长山隧道为主要研究对象，

利用与同济大学合作的机会，使用同济大学国家重点试验室仪器进行试验和研究。

本文通过定制一套大型应力加载设备、高精度压力传感器、高精度位移传感器进行

比例试验模拟出软弱破碎围岩的深埋隧道渐进性破坏过程。又根据与模型试验相同

条件下的 FLAC3D 数值模拟软件进行对照，从而保证了试验结果的准确性，更好地揭

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摘要：

摘要摘要当前我国隧道工程发展日新月异，但隧道围岩理论的发展相对于实际工程却体现出一定的滞后性。隧道在开挖过程中极易发生塌方事故，而事故一旦发生，生命财产损失、工期延误等将会接踵而来。因此，如何正确认识隧道围岩的破坏机理，针对围岩破坏过程应当采取怎样的措施来预防灾害发生，已成为理论界和工程界的首要研究对象。本文针对软弱破碎深埋隧道围岩，采用模型试验和数值模拟相结合的方法对其渐进性破坏过程进行了深入研究，主要研究内容如下：1、将新型压力传感器“FlexiForce”运用到岩土试验当中，代替了传统的土压力盒，提高了试验的精度以及准确性。2、利用同济大学能同时加载竖直荷载与水平荷载的大型试验机，研究不...

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