深埋隧道围岩破坏机理相关问题研究

论文摘要

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Ds、分形维数Df和损伤变量D之间的定量关系: D= Ds - Df,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

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.1.3 通渝隧道简介
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 隧道围岩稳定性研究综述
• 1.2.2 深埋隧道围岩破坏损伤特性研究
• 1.2.3 深埋隧道围岩破坏分形特征性研究
• 1.2.4 隧道地应力测试及演化历史弹塑性有限元分析
• 1.2.5 岩爆机理及灾害预测防治研究
• 1.3 本文研究内容及技术路线
• 1.3.1 本文研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 深埋隧道围岩破坏的损伤特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 深埋隧道围岩破坏的声发射特性
• 2.2.1 声发射概念
• 2.2.2 损伤变量与声发射的关系
• 2.2.3 声发射实验
• 2.3 深埋隧道围岩破坏损伤演化方程
• 2.3.1 深埋隧道围岩破坏准则
• 2.3.2 隧道围岩损伤区特征分析
• 2.3.3 损伤变量
• 2.3.4 围岩损伤本构及及其演化方程
• 2.4 深埋隧道围岩渐进破坏过程的数值模拟
• 2D 简介'>2.4.1 RFPA^2D简介
• 2.4.2 岩石细观损伤的数值模拟
• 2.4.3 深埋隧道围岩渐进破坏模式数值模拟
• 2.5 本章小结
• 3 深埋隧道围岩破坏的分形特征研究
• 3.1 引言
• 3.2 分形理论的基本内容
• 3.2.1 分形的定义
• 3.2.2 分形维数
• 3.2.3 分形曲线与分形曲面
• 3.2.4 复动力系统的分形集合
• 3.3 隧道围岩破坏损伤的分形模型
• 3.3.1 损伤岩石的分形特征
• 3.3.2 岩石破坏的分形测量及演化方程
• 3.3.3 损伤变量的分形维数定义
• 3.3.4 分维数与裂纹扩展的关系
• 3.4 深埋隧道围岩破坏的分形效应
• 3.4.1 隧道围岩冲击断裂的分形效应研究
• 3.4.2 隧道围岩破坏中岩石破坏的分形效应
• 3.5 工程实例分析
• 3.5.1 节理裂隙调查
• 3.5.2 节理裂隙网络及照片分维数的计算
• 3.5.3 计算结果分析
• 3.6 本章小结
• 4 深埋隧道地应力测试及反演分析
• 4.1 引言
• 4.2 Kaiser 效应测试地应力
• 4.2.1 测试原理
• 4.2.2 测试过程
• 4.2.3 测试结果分析
• 4.3 地应力反演分析
• 4.3.1 地应力反演的工程意义
• 4.3.2 初始地应力反演原理
• 4.3.3 隧道地应力演化过程的数值模拟研究
• 4.4 测试分析成果与现场实测结果对比
• 4.5 本章小结
• 5 深埋隧道岩爆灾害预测
• 5.1 引言
• 5.2 深埋隧道岩爆的定义、影响因素及判据
• 5.2.1 岩爆的定义
• 5.2.2 岩爆的影响因素
• 5.2.3 岩爆预测的判据
• 5.3 BP 神经网络及其算法
• 5.3.1 BP 神经网络简介
• 5.3.2 BP 神经网络学习算法
• 5.3.3 BP 神经网络训练过程及步骤
• 5.4 BP 神经网络算法的实现及其在通渝隧道岩爆预测中的应用
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附：
• 1. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• 2. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及获奖情况
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书