深埋隧道软弱围岩与支护结构相互作用机理研究

The stability,characteristics of rock progressive damage and the mechanical mechanism of the surrounding rock of soft fractured deep tunnel under high geotress are the key problem for the construction. Bolt support is one of the major methods applied in most underground engineering,it has key effect to restrain the deformation and rupture extension of the rock,inprove the strength of the rock mass..To study the progressive failure progress of the surrounding rock of soft fractured deep tunnel under high geostress,the physical model test of the tunnel will be made in the triaxial model-test machine. The characteristics of rock progressive damage,the variability of the stress of surroundiing rock and the variability of the axial force of the bolt will be analyzed.By synthesizing the numerical simulation and the model test,the interaction of the surrounding rock and supporting system will be found out,the proper supporting type of the deep soft rock tunnel will be determined.The research results will instruct the design and construction of the deep soft rock tunnel.

在深埋、高地应力条件下，软弱破碎围岩隧道的稳定性状况、渐进性破坏特征和支护体系的力学机制一直是隧道建设中的关键问题。锚杆作为地下工程的主要支护手段之一，对约束岩体变形和破裂扩展、提高岩体强度起着至关重要的作用。本项目将在大型真三轴物理模拟试验机上利用相似模型试验对高地应力、大埋深条件下隧道渐进破坏过程进行研究，对不同支护条件下的隧道围岩渐进破坏特征、围岩体应力变化规律和锚杆轴力变化规律进行分析。并采用数值模拟的手段和模型试验进行比较验证。综合数值模拟和模型试验的结果，揭示出隧道围岩与支护结构的相互作用机理，确定适用于深埋软岩隧道的合理支护型式。预期的研究成果将为深埋软岩隧道的设计和施工提供理论依据和科学指导。

在深埋、高地应力条件下，隧道围岩的渐进破坏特征、变形破坏机理以及围岩与支护体的相互作用机理一直是隧道建设中的关键问题。本项目采用室内相似材料模拟试验和数值模拟相结合的手段，对不同支护工况下围岩体破坏演化过程、应力变化规律和锚杆轴力变化规律进行了研究。首先对两类不同组分的混合材料进行了配比试验，测试了各种材料含量对相似材料性能的影响，试验结果表明两类材料通过调整配比均可以达到所需要的物理力学参数，但考虑到本次试验需进行大尺寸的模型试验，要求材料必须能快速干燥，故选择重晶石粉和砂为骨料，环氧树脂、聚酰胺、硅橡胶及硅橡胶固化剂为黏合剂，汽油为溶剂的配比材料作为模型试验的相似材料，该材料具有粘性且以汽油为溶剂能快速干燥。在岩土工程大型真三轴物理模型试验机上进行了隧道在不同支护方式（均匀支护、提高弱结构部位支护强度的非均匀支护）和不同支护强度（锚杆长度、密度）下的模型试验，通过内窥摄影监测到的破坏演化过程可知，破坏是一个渐进过程，是非连续的，具有间歇性、阶段突发性。洞室的破坏主要是破裂区的形成和扩大导致的。整个破坏过程为：局部产生裂纹—裂纹扩展—裂纹急剧贯通—破坏；不同的部位表现出不同的变形特征，差异显著。由应力测试结果可知，采用锚杆支护后径向应力有了一定程度的提高，且在支护范围内径向应力是先上升后下降的，存在一个峰值，支护范围之外应力随着离洞壁距离的增大而增大。切向应力在洞壁附近应力集中，过了峰值点后随着离洞壁的距离增大而降低，最后趋于稳定。随着荷载的增加锚杆轴力逐渐增大且轴力最大点逐渐向深部移动。建立和模型试件相同尺寸的数值模型，采用相同的边界条件进行了数值模拟工作，以塑性应变产生突变作为数值模拟中隧道的失稳判据，对数值模拟所反映的破坏演化过程和模型试验所观察到的现象进行对比，可知两者在最初裂纹产生部位和裂纹的扩展路径都是比较吻合的。两者所反映的围岩应力场变化规律也具有良好的一致性。