高地应力区隧洞施工期围岩质量评价及稳定性研究

摘要

随着我国基础设施建设的高速发展，隧洞工程不断朝着“多、长、大、深”的方向迈进，地应力逐渐增加的同时，隧址区域内地质条件差别也随之变大，使得围岩失稳破坏程度增大、破坏形式呈现多样化，大大提高了围岩变形破坏机制的复杂性和不可预见性。因此，高地应力条件下隧洞围岩稳定性相关问题的研究成为亟需解决的问题。目前对高地应力条件下隧洞围岩面临的关键问题，如围岩质量评价、陡倾层状岩体围岩稳定性分析、块状岩体围岩稳定性分析、围岩力学参数位移敏感性分析以及岩爆预测等方面进行的系统分析研究尚不成熟。
　　正是基于上述问题，本文以新疆克州布伦口—公格尔水电站地下洞室为工程背景，采用新的研究思路，综合应用工程地质学、固体力学理论、非线性科学理论和数值计算方法等，开展高地应力条件下隧洞围岩质量评价和稳定性研究，论文的主要研究内容和研究成果概况如下:
　　(1)提出基于非对称贴近度准则代替最大隶属度准则和最小鉴别信息原理组合权重代替单一权重的改进可拓理论进行围岩质量评价，并将其应用于布伦口—公格尔水电站地下洞室4个典型标段的围岩质量评价中，结果表明该方法可靠性较好。
　　(2)建立陡倾层状围岩弯曲—滑移失稳力学模型，根据弹性板能量原理推导出层状围岩临界弯曲长度和安全系数公式，结合实际工程研究临界弯曲长度的影响因素。考虑到围岩参数不确定性，将模糊随机可靠度理论应用到安全系数公式当中，计算结果表明考虑参数的模糊随机性更具有良好的适用性。
　　(3)建立等厚度层状岩质矩形板力学模型，计算岩质矩形板在静力荷载作用下的临界荷载公式和在纵向周期性荷载作用下的第一、第二动力不稳定区域，分析岩质矩形板是否发生静动力失稳。
　　(4)将有限长迹线块体理论应用到关键块体滑落概率分析中，以三棱锥为例，根据结构面迹长概率分布理论将关键块体概率重新定义为绝对关键块体概率、相对关键块体概率和非关键块体概率，并利用绝对关键块体概率对常规关键块体滑动安全系数进行修正，在保证围岩安全条件下为合理降低围岩支护成本提供理论依据。
　　(5)鉴于围岩力学参数的不确定性和空间变异性，结合室内试验和工程经验，拟合出包括密度在内的6个典型参数的概率分布模型，在3DEC离散元数值模拟的基础上提出基于围岩力学参数概率分布模型的灰关联位移敏感性分析方法，并将其应用于实际工程中，为围岩参数的主次选择提供理论指导。
　　(6)将粗糙集理论和云模型相结合，建立基于FCM粗糙集理论计算权重和云模型计算综合确定度的岩爆非线性科学预测模型，并通过实例验证表明该预测模型与可拓理论预测结果和Russense判别结果较吻合，最后将该预测模型成功应用于布伦口—公格尔水电站地下洞室的岩爆评价中，为降低岩爆灾害损失造起到重要作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的主要创新点

1．4 研究内容及技术路线

第2章 隧址区域地质概况

2．1 发电引水隧洞工程地质条件

2．2 发电引水隧洞沿线存在的工程地质问题

第3章 基于改进可拓物元理论的地下洞室围岩质量评价

3．1 概述

3．2 影响围岩质量的主要因素

3．3 可拓学理论概述

3．4 基于改进可拓法围岩质量评价方法与步骤

3．5 工程应用

3．6 本章小结

第4章 陡倾层状围岩滑移—弯曲破坏机制及动力稳定性分析

4．1 概述

4．2 层状岩体隧洞围岩稳定影响因素

4．3 陡倾角层状围岩滑移—弯曲破坏机制研究

4．4 陡倾层状围岩动力稳定性分析

4．5 工程实例分析

4．6 本章小绪

第5章 块状岩体隧洞围岩稳定性及参数敏感性研究

5．1 概述

5．2 有限长迹线块体理论在隧洞围岩安全性评价中的应用

5．3 基于围岩力学参数概率分布模型的变形敏感性灰关联分析

5．4 本章小结

第6章 云模型理论在深埋隧洞岩爆灾害预测中的应用

6．1 概述

6．2 岩爆的定义

6．3 岩爆影响因素及预测判据

6．4 粗糙集理论简介及权重计算

6．5 云模型理论简介

6．6 基于FCM算法粗糙集理论的云模型岩爆等级评价模型建立

6．7 工程实例

6．8 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介