韩国背后岭隧道水压致裂法地应力测量与围岩稳定研究

论文摘要

为了对地下洞室进行科学合理的开挖设计和施工,就必须对影响工程稳定性的各种因素进行充分的调查。在诸多的影响岩体开挖工程稳定性的因素中,地应力状态是最重要最根本的因素之一。一切与围岩有关的工作,如隧道的布置、隧道支护设计,锚杆支护衬砌设计,是确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析,实现岩石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。对隧道设计来说,只有掌握了具体工程区域的地应力条件,才能合理确定隧道的总体布置,确定其最佳断面形状、断面尺寸、开挖步骤、支护形式、支护结构参数等,从而保证围岩稳定性。所以,研究岩体的初始地应力,测量岩体的初始应力值状态,其目的不单纯在于初始地应力自身理论的发展和测试技术的改进,还在于如何把初始地应力实测值转化为地面和地下工程设计荷载,即初始地应力与地面和地下工程关系的研究。岩体的初始地应力状态的测试及研究的意义是多方面的。地应力测量是用来确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析,实现岩土工程开挖设计和决策的必要前提。由于地应力场会受到其他多种因素的影响,因而造成了地应力状态的复杂性和多变性。即使在同一地区,不同点的地应力状态也可能是很不相同的,要了解一个地区的地应力状态,惟一的有效方法就是进行原地应力测量。本论文结合为韩国新北-北山BHL（（?））国道改扩建工程,并依据提供科学技术支撑的Geogeny公司来开展研究工作。考虑到本文所依托的工程当时正处于规划与设计施工伊始阶段,相关的前期线路工程地质专项调查论证已经完毕。因此,本文的研究成果是基于野外地质调查和少量室内试验,并结合新北-北山BHL地区刚建的相关工程实例类比而得出的初步认识,其中大量的问题值得深入研究和分析,还需要做大量实际细致的工作。本论文所做的试验研究区域在韩国的Chuncheon-Yanggu地区,属于Kyeonggi断层带的东北部。大部分测试地区属于崎岖不平的多山地段区域。本文对水压致裂地应力测量原理、设备、现场试验方法及数据处理等进行了比较深入的阐述,初步选定十五个钻孔作为水压致裂测量孔,有30个测点,平均每孔两个测点。详细分析了水压致裂曲线压力-时间的特征及破裂压力、重张压力、关闭压力及最大水平主应力的破裂方向的确定方法。此外,在获得已知各个测点的地应力大小和方向后,进一步分析工程区地应力及侧压力系数的分布规律,并采用相关数值分析方法来建立隧道工程区的地应力场分布的模型。在320m以内,测压系数随着深度的不断加深它的值也有下降并趋于稳定的趋势,其中最大主应力方向是北偏东790（N790E）。在收集、分析前人研究的基础之上,通过对初始应力场、深部地质构造、岩石力学特性的现场调查和测试,室内试验分析以及模拟计算,结合地下工程实例,运用工程地质学、岩石力学等多学科理论和方法,了解各种工况条件下其应力、应变状态,综合研究工程岩体的破坏机理,为下一阶段的工程设计、施工和安全运营提供必要的工程资料,并以之为向导,进行工程作业。确定工程区不同隧道部位的平面应力的大小、方向及相应的岩体力学参数,不但可以为了对工程区应力场有一个全面的认识,而且可以为下一步的隧道围岩稳定性分析做充分的理论依据。本文重点研究三个方面。1：通过工程现场地质调查,对隧道工程区的地质环境进行了评价；2：通过水压致裂地应力测量研究工程区地应力相关参数的确定及数据处理；3：在水压力测量地应力及室内试验分析方法相结合下,利用所得到的相关物理力学参数,通过相关数值模拟软件进行数值模拟,研究不同围岩类别下及不同测压系数下的围岩的变形破坏情况,来验证基于地应力测量结果的隧道围岩支护设计的合理性和可能性。主要研究手段：1：进行前人理论和试验的收集、研究。试验收集包括在韩期间野外的现场试验,研究不同应力条件下水压致裂压力-时间曲线特征,总结破裂、关闭及重张压力特征点的方法。2：进行现场测试,分析总结测试结果,获取地应力场的准确资料,关键是对测试曲线的合理解释和破裂、关闭及重张压力特征点的准确识别。得出最大最小水平应力及其随深度变化的情况。3：通过对现场测试所得的相关数据求出最大最小水平主应力、方向及应力随深度变化的情况。其中测压系数随深度变化而变化的分析图对下一步的模拟分析起到关键的作用。4：采用理论分析法和基于数值计算软件,利用所测得不同断面的测压系数随深度而变化的情况,分析模拟部分隧道断面在所测得地应力条件下的应力分布,当测压系数不变在不同种类围岩下及围岩类别不变在不同测压系数下隧道发生失稳破坏的区域,应用到施工的过程中。为隧道的下一步支护提供有力的依据,并验证基于地应力测量结果的隧道围岩支护设计的合理性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 工程概况
• 1.3 初始地应力的基本概念及研究现状
• 1.3.1 初始地应力的基本概念及意义
• 1.3.2 初始地应力的分布
• 1.3.3 初始地应力的研究现状
• 1.4 地应力的测量及水压致裂法
• 1.4.1 初始应力的测量方法及研究现状
• 1.4.2 水压致裂法测量地应力及研究现状
• 1.5 研究内容和方法
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究方法
• 第2章 水压致裂法测量地应力
• 2.1 前言
• 2.2 水压致裂法
• 2.3 水压致裂法的特点
• 2.4 水压致裂法实验所需要的设备
• 2.4.1 水压致裂法测量地应力测量系统
• 2.4.2 测量设备及各自的作用
• 2.4.3 测量裂缝方向的方法与设备
• 2.5 水压致裂法的全过程
• 2.6 水压致裂孔隙水压力的确定
• b'>2.6.1 初始破裂压力P_b
• s'>2.6.2 瞬时关闭压力P_s
• r'>2.6.3 破裂重张压力P_r
• 2.7 应力计算
• 2.8 最大水平主压应力方向的确定
• 2.9 小结
• 第3章 地质条件及地应力测量数据分析
• 3.1 工程概况
• 3.2 水压致裂法测试地应力过程及结果
• 3.3 测试结果分析
• 3.4 工程测量结果综述
• 3.4.1 工程实测地应力值的大小
• 3.4.2 岩石物理力学性质测试
• 3.5 小结
• 第4章 BHL隧道岩体侧压力系数对扰动区的影响
• 4.1 理论分析
• 4.2 侧压力系数对扰动区的影响
• 4.2.1 数值模拟相同侧压力系数λ不同类围岩条件下对扰动区的影响
• 4.2.2 数值模拟同类围岩下不同侧压系数λ对开挖扰动区的影响
• 4.3 小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介