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公路隧道围岩破坏规律研究

作　者: 高娟
导　师: 郭志勇；来兴平
学　校: 西安科技大学
专　业: 固体力学
关键词: 高地应力深部岩体岩爆声发射分区破裂化
分类号: U451.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

公路隧道围岩稳定性在隧道施工过程中至关重要,围岩失稳可使水电硐室、交通隧道、矿山巷道等遭受破坏,损坏生产设备,威胁工程人员的人身安全,因此开展围岩稳定性研究,对地下空间的有效合理开发、施工优化和确保工程顺利进行,均有十分重要的意义。本文以秦岭终南山公路隧道为依托工程,隧道埋深大(800.0m),线路长(18.02×2km),地质条件复杂,地层岩性主要为混合片麻岩,脆性大,且处在高地应力水平,易发生岩爆动力灾害,且易产生分区破裂化现象。本文从国内外对深部的定义和高地应力下深部岩体力学特性研究现状入手,引出岩爆和分区破裂化两种特征科学现象,结合终南山隧道工程实例,从岩石MTS-AE试验、现场声发射与钻孔窥视监测试验和三维数值模拟(FLAC3D)三个方面对岩爆问题进行研究,探索出了深部岩爆孕育的“时间-空间-强度”规律和深埋隧道围岩的分区破裂化现象。本文并对圆形隧道应力重分布进行分析,得出隧道顶部和底部易出现应力集中现象,满足发生岩爆的两个条件:①岩体内储备有足够的弹性应变能;②引起破坏的应力集中。采用声发射(Acoustic Emission,AE)预报技术进行了综合预测和分析,得出岩爆发生时的声发射特征与动态演化规律。利用FLAC3D数值分析软件进行数值模拟分析得出,在风道施工过程中,距离主隧道越近的位置,附近岩体受到的扰动就越大,扰动范围与原先隧道施工过程扰动范围重合,并继续向岩体深处延伸,风道顶部下沉较大。岩爆是一种能量的释放,既有渐变过程,也有突变过程,岩爆的发生与开挖方式及支护措施直接相关,因此,开展岩爆防治对策的研究为高地应力下深埋地下工程岩爆现象的预防预报提供可靠的依据,同时具有重要的理论和工程应用价值。

全文目录

摘要  2-3
ABSTRACT  3-8
1 绪论  8-18
  1.1 选题背景和研究意义  8-10
    1.1.1 选题背景  8-9
    1.1.2 研究意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-16
    1.2.1 深部的概念  10-11
    1.2.2 高地应力下深部岩体力学特性研究现状  11-12
    1.2.3 分区破裂化研究现状  12-14
    1.2.4 岩爆研究现状  14-16
  1.3 研究内容及技术路线  16-18
    1.3.1 研究内容  16
    1.3.2 技术路线  16-18
2 工程实例  18-27
  2.1 秦岭终南山公路隧道及2#竖井简介  18-19
  2.2 隧址区地质背景  19-26
    2.2.1 地形特征及地震  19-20
    2.2.2 地层岩性  20-22
    2.2.3 地质构造  22-23
    2.2.4 地应力分布特征  23
    2.2.5 工程灾害  23-25
    2.2.6 不良地质与灾害  25-26
  2.3 本章小结  26-27
3 围岩力学性质与声发射特征试验研究  27-43
  3.1 隧道围岩应力分析  27-30
  3.2 岩体失稳形式  30-31
  3.3 应力强度比σt / Rb 判别岩爆等级  31-32
  3.4 MTS-AE 试验  32-42
    3.4.1 测试仪器与设备  32-34
    3.4.2 试验流程  34-35
    3.4.3 单轴压缩及变形试验  35-36
    3.4.4 三轴压缩及变形试验  36
    3.4.5 声发射试验  36-38
    3.4.6 试验数据分析  38-42
  3.5 本章小节  42-43
4 围岩稳定性数值计算与分析  43-54
  4.1 数值模拟简介  43-44
    4.1.1 FLAC3D 简介  43
    4.1.2 FLAC 与有限元对比  43-44
    4.1.3 FLAC 应用领域  44
  4.2 数值模拟的内容、方法和模型建立  44-46
    4.2.1 数值模拟的内容  44-45
    4.2.2 岩石力学参数  45
    4.2.3 数值模型的建立  45-46
  4.3 数值计算结果分析  46-53
    4.3.1 应力场分布特征  46-48
    4.3.2 塑性区分布特征  48-49
    4.3.3 位移场分布特征  49-53
  4.4 本章小节  53-54
5 岩爆现场监测预报  54-68
  5.1 现场监测概述  54-55
  5.2 监测设备  55-56
    5.2.1 声发射监测系统  55
    5.2.2 YS(B)钻孔窥视仪  55-56
  5.3 监测过程及结果分析  56-64
    5.3.1 声发射监测  56-59
    5.3.2 钻孔窥视监测  59-64
  5.4 岩爆预测  64-67
    5.4.1 岩爆发生判据  64-65
    5.4.2 岩爆烈度分类  65-67
    5.4.3 2#竖井岩爆特征  67
  5.5 本章小节  67-68
6 岩爆防治与效果  68-72
  6.1 改善围岩的物理力学特性  68
  6.2 改善岩爆区域施工方法  68-69
  6.3 应力解除  69
  6.4 加强初期支护  69-70
  6.5 静态爆破施工  70
  6.6 数字化、智能化声发射监测技术  70
  6.7 本章小节  70-72
7 结论  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-78
附录  78

公路隧道围岩破坏规律研究

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