软岩隧道围岩大变形灾变全过程的多尺度界面效应计算原理与方法

The study of soft rock tunnel is one of the topics at the forefront of the engineering geology and environmental geology in the world. The computing theory for the whole process of large deformation catastrophe of the soft rock tunnel surrounding rock is the key to its risk control. Previous research focuses on the macro-mechanical calculation method, is insufficient in the study of the internal relations of different scale catastrophe, and lacks the multi-scale unified computing theory and method. This has become the bottleneck of soft rock tunnel risk control. To this end, the study will target at the soft rock tunnel, and start from the internal relations of the interface effect and fissures - seepage coupling, and use Renormalization-Group Theory and particle discrete element method to research the multi-scale calculation principles and methods of the whole process of large deformation catastrophe for soft rock tunnel surrounding rock, and build a new type of unified computing theory and method. The highlights include: (1) the experiments and the characterization of multi-scale interface effect of large deformation catastrophe for soft rock tunnel surrounding rock, (2) the evolution mechanism of multi-scale interface effect in the whole process of large deformation catastrophe for soft rock tunnel surrounding rock, (3) the calculation principles and methods of multi-scale interface effect in the whole process of large deformation catastrophe for soft rock tunnel surrounding rock. Through this study, the multi-scale evolution mechanism of the whole process of large deformation catastrophe of the soft rock tunnel surrounding rock is revealed, and the calculation principles and methods for multi-scale interface effect are built. This provides a brand new method for the study on the catastrophe of the soft rock tunnel surrounding rock, also provides an important basis for the engineering safety protection. It is with important theoretical significance and practical value.

软岩隧道研究是国际上工程地质学与环境地质学的前沿课题之一，其围岩大变形灾变全过程的计算原理与方法是其风险控制的关键之所在。以往研究注重宏观力学计算方法，对灾变不同尺度内在联系研究不足，缺乏同一框架下多尺度计算原理与方法，成为软岩隧道灾害控制的瓶颈。为此，拟以红层软岩隧道为对象，从界面效应与裂隙-孔隙渗流耦合这一本质内在关联出发，运用重整化群、颗粒离散元等原理，研究基于界面效应的软岩隧道围岩大变形灾变全过程的多尺度计算原理与方法。重点包括：（1）软岩隧道围岩大变形灾变试验与多尺度界面效应表征；（2）软岩隧道围岩大变形灾变全过程的多尺度界面效应演化机制；（3）软岩隧道围岩大变形灾变全过程的多尺度界面效应计算原理与方法。通过研究，揭示软岩隧道围岩大变形灾变全过程的多尺度演化机制，建立其计算原理与方法，为软岩隧道围岩灾变研究提供全新方法，为其工程安全防护提供重要依据，具有重要理论意义和实际价值。

软岩隧道灾变风险控制的研究是国际上工程地质学与岩土工程学科的前沿课题之一，其围岩大变形灾变全过程的计算原理与方法是关键之所在，是学术界与工程界共同关注的焦点问题。而前期研究，一方面重点揭示了软岩隧道围岩灾变的宏观力学机制，给出了其稳定性简化的计算方法，另一方面也使人们逐渐认识到软岩隧道灾变往往是由颗粒、岩石、松动区、围岩体等的多尺度灾变导致的，应该从建立多尺度灾变模型的同一框架下计算原理与方法上开展研究。因为基于经典力学或经验判断的宏观尺度模型，将导致对软岩隧道围岩灾变规律认识的尚不完整，难以从根本上完整反映灾变作用机制全貌，在某种程度上，已经成为制约软岩隧道风险控制研究的瓶颈。因此，本项目采用模型试验、颗粒离散元、非线性动力学、三维可视化建模等方法，以界面效应为多尺度的内在关联，从裂隙-孔隙渗流耦合角度，初步阐明了软岩界面效应-松动区-围岩灾变的本质内在多尺度联系与规律，揭示了其大变形灾变全过程的多尺度演化机制，在原先只有单一尺度灾变表达的基础上，突破建立多尺度内在联系理论依据与实现方法匮乏的瓶颈，补充建立了其多尺度关联的计算原理与方法——软岩隧道围岩大变形灾变全过程三维多尺度界面效应计算原理与方法，并通过工程应用验证了其合理可靠性。本研究不仅可以丰富、完善和发展工程地质学的理论与方法，而且可为软岩工程安全保障与重大灾害防控提供思路和方法的支持。研究成果已应用于地铁隧道、市政隧道、软岩边坡等红层工程稳定性计算分析与风险防控，支持了工程监测布控与风险预警，为工程设计、安全保障与灾害防治提供了原理支持；成果还可广泛应用于交通、市政、水利、矿业、人防、军工等的软岩隧道、边坡、路基、基坑等软岩工程安全防护与科学研究。同时，本研究发表论文22篇，其中SCI、EI已收录14篇；申请发明专利28项，其中授权8项，公开14项；获得国家软件著作权2项。培养博士生6名、硕士生9名。