浅谈深埋隧道围岩系统稳定性及非线性动力学特性研究

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1、重庆大学博士学位论文深埋隧道围岩系统稳定性及非线性动力学特性研究博士研究生：赵瑜指导教师：李晓红教授学科、专业：岩土工程重庆大学土木与工程学院二OO七年十月IPh.D.DissertationofChongqingUniversityStudyonStabilityandNon-linearDynamicCharacteroftheSurroundingRockSystemintheDeep-buriedTunnelPh.D.Candidate:ZhaoYuSupervisor:Prof.LiXiaohongMajor:Geotechni

2、calEngineeringCollegeofCivilEngineeringChongqingUniversityOct.2007II摘要南水北调、西电东送、青藏铁路、西气东输以及西部交通基础设施建设等一系列重大工程中都涉及到许多深埋长大隧道，但是随着隧道的埋深增加、跨度和长度增大，地应力和地下水渗透压将进一步增加、岩体变形的非线性效应将进一步显现。因此开展深埋隧道围岩系统稳定性与非线性动力学特性研究，无论是对地下空间的有效合理开发、施工优化、确保工程顺利进行，还是对本学科的发展均有十分重要的意义。论文结合国家自然科学基金重点项目“隧道

3、及地下空间工程结构物的稳定性与可靠性”(50334060)，以重庆市共和隧道和通渝隧道为工程背景，借助传统的相似模拟试验、数值模拟手段和现代的非线性科学理论，并考虑了深埋隧道渗流场与应力场的耦合效应，采用“过程分析”的方法，对深埋隧道围岩系统的稳定性进行了研究。本文所研究内容及获得的结论主要包括以下几个方面：①采用石膏、Fe3O4粉末、重晶石粉、石英砂、环氧树脂、硅橡胶、石膏等材料，采取改变Fe3O4粉末、重晶石粉、石英砂的比例，可使模型材料的容重在2.5～33.0g/cm范围内变化；通过调整粘结剂的含量和比例，可以使模型材料的抗拉强度在

4、1.6KPa～24KPa范围内变化，内聚力在1.2KPa～90.6KPa范围内变化。②针对实际试验条件，应用内窥摄影技术，全程跟踪了模型试验破坏的全过程，确定了高应力条件下隧道关键部位的变性特征和关键部位的裂纹演化特征，应用应变测试技术定量地确定了关键部位的应力变化规律。③通过岩石单轴试件数值试验，研究岩石峰后的应力特性，确定岩石材料的峰后软化性质与试件剪切带之间的关系，得出岩石试件在单轴压缩状态下发生的拉破坏实质上是由先前的剪切破坏引起的这一重要结论。④结合物理模型试验相似材料的力学特性，建立了应变软化模型，采用大变形的计算方法，对深埋

5、隧道物理模型试验破坏过程开展数值模拟对比分析，研究了高应力对隧道围岩系统的双重非线性影响，数值计算结果与物理模型试验结果基本吻合。⑤通过正交数值试验，得出了岩体弹性模量、泊松比和软化模量这三个因素对深埋隧道围岩系统拉破坏体积、剪破坏体积和洞室垂直收敛位移、水平收敛位移的单因素的影响规律及多因素的综合影响规律。⑥从岩体结构力学的角度出发，根据深埋隧道围岩裂隙发育规模与工程尺度III的关系，建立可以同时考虑不同级别裂隙网络的复杂裂隙岩体水力学模型，提出了模型的数值解法，结合改进的对称逐步超松弛预处理共扼梯度法，编制相应的计算机源程序，实现了复

6、杂裂隙岩体三维渗流场与应力场耦合的快速仿真计算，运用该模型研究了隧道开挖卸荷时应力场与渗流场的耦合规律，表明该模型具有较好的实用性与可靠性。⑦反演确定用于深埋隧道围岩系统开挖卸荷特征研究的物理力学参数，对模拟结果进行混沌动力学研究，计算相关维、最大Lyapunov指数和Kolmogorov熵等非线性动力学指标，定量地分析了开挖卸荷时围岩系统的演化过程，发现了围岩系统演化对初始条件的敏感性，确定围岩自身非线性作用与外在因素以及围岩能量耗散与围岩稳定性之间的关系。⑧利用全域法，局域法，对隧道的围岩变形进行了预测，得到了与实测位移一致的预测结果

7、；建立深埋隧道围岩系统与支护结构系统相互作用的非线性动力学模型，进行围岩与支护结构相互作用系统的动态非线性过程分析，计算出的围岩内部位移、锚杆轴力和支护喷层径向应力与现场实测获得的相应参数值的分布曲线非常接近，成功预测了高地应力条件下围岩系统与支护结构系统相互作用过程，说明围岩系统与支护结构系统相互作用具有显著的非线性特点，模型具有很好的理论价值和实用意义。关键词：深埋隧道，物理模型试验，双重非线性，水力学模型，非线性动力学IVABSTRACTAlongwiththelarge-scaleconstructionofinfrastruct

8、ures,suchasSouth-to-NorthWaterTransferProject,ElectronicPowerTransmissionfromWesttoEast,Qinghai-