砂卵石地层隧道开挖围岩变形与破坏机理研究

Sandy cobble strata are extremely heterogenous and discrete geomaterial layers, which consist of rock blocks in large size with high strength and soil with low strength. As a typical soil-rock mixture formation, the material meso-structure has a significant influence on the deformation and stability of surrounding rocks. Therefore, the study on the deformation behaviors and failure mechanism of soil mass during tunneling in sandy cobble stratum has great theoretical significance and practical values. Taking the heterogeneity and discreteness of the material into account, two types of multi-scale analysis methods for simulating tunnel excavation in sandy cobble stratum are to be developed. On the basis of the proposed approaches, a series of simulations on tunnel excavation will be carried out. Then, the deformation behaviors of soil mass will be analyzed, and a simplified formula for ground subsidence will be established considering material meso-structure. Moreover, the typical deformation modes of tunnel section and their corresponding occurrence probability can be given. By investigating the gradual failure process of soil mass, the catastrophic evolution mechanism of soil mass will be revealed. Finally, combined with the simulation results, the theoretical failure modes will be proposed, and the solution of the limit support pressure will be derived by the limit equilibrium method.

砂卵石地层是由具有一定尺寸、强度较高的岩块和强度较低的土体构成的不均匀松散岩土介质系统，为典型的土石混合体。隧道施工时，地层内部细观结构对地层变形和稳定性会产生显著影响。开展砂卵石地层隧道开挖围岩变形规律和破坏机理研究具有重大的理论和工程意义。考虑材料的非均质性和松散性，提出砂卵石地层隧道开挖模拟的多尺度数值模型与分析方法；模拟隧道开挖过程，分析地层细观结构特征对围岩变形的影响规律，建立考虑地层细观结构特征的地层沉降简化计算公式，并给出隧道断面的典型变形模式与出现概率；研究砂卵石地层隧道开挖引起的围岩渐进破坏行为，揭示围岩土体的灾变演化机理和失稳破坏模式；提出围岩破坏模式的理论分析模型，推导掌子面支护力的理论计算公式。

砂卵石地层是由具有一定尺寸、强度较高的岩块和强度较低的土体构成的不均匀松散岩土介质系统，为典型的土石混合体。隧道施工时，地层细观结构对围岩变形和稳定性会产生显著影响。考虑材料的非均质性和离散性，开展砂卵石地层隧道开挖围岩变形规律和破坏机理研究具有重大的理论和工程意义。在连续介质力学的框架内，提出砂卵石地层隧道开挖模拟的宏细观多尺度分析方法，该方法在核心区域考虑材料的细观结构特征，并由开挖扰动区确定其范围，在非核心区域将材料视为均匀介质，并采用细观等效化方法确定材料等效物理力学参数，在此基础上进行隧道开挖模拟与分析。进一步，考虑地层材料的松散性特征，提出了隧道开挖模拟的有限元-离散元耦合多尺度分析方法，基于Yade离散元开源软件，搭建有限元-离散元耦合计算平台，对隧道开挖场地力学行为展开分析。计算结果表明，所提方法在确保计算精度的同时极大地降低了计算代价。基于提出的宏细观多尺度分析方法，对砂卵石地层隧道开挖过程进行模拟，分析砂卵石地层隧道施工引起的围岩变形规律和应力路径调整规律。分析结果表明：含石量对围岩变形具有显著影响，地表沉降最大值随含石量的增加呈分段线性变化关系；块石粒径对围岩变形具有一定影响，地表沉降最大值随块石粒径的增大线性减小；块石长轴倾角对围岩变形具有一定影响，地表沉降最大值随卵石长轴的增加呈线性增加的趋势。地中沉降最大值和地中沉降槽宽度系数随地层深度的变化均可采用幂函数形式的公式进行描述。基于建立的有限元-离散元多尺度分析方法，再现了砂卵石地层隧道开挖引起的围岩渐进破坏过程，得到了矩形隧道围岩失稳破坏模式，揭示了围岩土体灾变演化机理。分析结果表明：浅埋矩形隧道围岩的破坏表现为“洞顶围岩塌方—侧部围岩剪切破坏—上部围岩踏穿型塌方”的发展模式；深埋矩形隧道围岩的破坏表现为“洞顶围岩三角形塌方—侧部围岩剪切破坏—洞顶围岩进一步三角形松动塌方”多级局部破坏的发展模式。