软弱夹层控制下隧道围岩卸荷损伤与渐进破坏机理研究

Centering on the collapse of tunnel in the ground including weak interlayer, the failure process of surrounding rock mass after unloading of tunnel excavation were simulated with physical both model tests and numerical analysis based on the progressive failure of rock mass deformation. All works were accomplished as following: (1) by employing the lab rock test under loading-unloading condition and non-contact measure of digital speckle, the unloading damage model was established. The thickness, isotropy, and dimension effects of deformation failure in the rock mass including weak interlayer were analyzed. (2) by utilizing the model tests and multi-scale numerical simulation, the collapse process of tunnel subject to weak interlayer were tracked with the laser scan and pinhole camera. The control functions of weak interlayer and three-dimension space effect during deformation failure process of rock mass were analyzed. The criterion of tunnel collapse and method of optimization design about support system were put forward. Furthermore, integrating the results of field monitoring, the study of engineering application was carried out by the back analysis of construction considering the increment of displacement and stress during progressive failure .

围绕软弱夹层地段常出现的隧道塌方现象，从岩体的渐进性变形破坏特征入手，对隧道开挖卸载后的围岩破坏过程进行物理与数值模拟，拟完成以下工作：（1）采用室内岩石加、卸载试验手段，辅助数字散斑非接触测量技术，建立考虑状态依存性的岩石卸荷损伤模型，并分析软弱夹层岩体变形破坏的夹层厚度效应、各向异性与尺寸效应；（2）借助隧道塌方的物理模型试验和多尺度数值模拟方法，配合激光仪、针孔摄影机等观测技术，对软弱夹层条件下的隧道塌方全过程进行跟踪，分析围岩变形破坏的软弱夹层控制作用以及三维空间效应，并提出隧道塌方模式的判别方法以及支护优化设计方法。本课题还将基于渐进性破坏的增量应力和变形值，以及现场监测结果，采用施工反分析方法来预测围岩松动失稳模式，以进一步满足工程应用的需要。

在岩石地层中修建隧道及地下工程常常需要穿越或毗邻软弱夹层，如泥化夹层、破碎带等。软弱夹层作为典型不良地质体之一，具有强度低、易扰动和地层隐蔽性等特点，常常对隧道围岩稳定性起着决定性作用。围绕软弱夹层地段常出现的隧道塌方现象，从岩体的渐进性变形破坏特征入手，对隧道开挖卸载后的围岩破坏过程进行了物理与数值模拟，主要研究内容及成果包括：（1）从隧道工程现场进行岩石取样，隧道开挖卸载过程采用不同荷载条件进行模拟，通过RMT-150岩石压力机进行了室内岩石力学试验，获得了岩石变形破坏过程中的损伤力学特性与失稳模式，并采用PFC离散元软件扩展分析了不同高宽比下的尺度效应；（2）采用天然砂岩模拟了含贯通节理的岩石试样，采用人工混凝土材料模拟了含断续节理的岩石试样，分别进行了室内岩石力学试验和数值模拟，分析了软弱夹层对岩体变形破坏控制性作用及参数影响效应；（3）采用室内模型试验方法（相似比1:30），研制了隧道围岩和软弱夹层的相似模型材料及试验装置，借助数字散斑非接触全场测量技术VIC-3D，研究了隧道开挖后软弱夹层的滑移破坏机理、围岩的损伤演化规律及其松动塌方机制；（4）分别采用有限元法、离散元法和耦合计算方法，在对比模型试验结果的基础上，扩展分析了不同软弱夹层条件下的隧道围岩的松动破坏规律，发现夹层穿越隧道横断面的情况对隧道稳定性影响最大，但实际工程中夹层位于隧道上方的情况由于其隐蔽性而具有更大的潜在危险；（5）现场实测研究和通过数值分析，发现软弱夹层对隧道围岩稳定性的影响具有明显的三维空间效应，结合本单位的实验室建设情况正积极研制和建设国内最大尺寸的三维地下模型试验系统，以期为项目后续研究奠定基础；（6）以工程实例为背景，采用卡尔曼滤波器法进行了初始地应力反分析研究，基于现场监测结果和渐进性破坏理念，对隧道松动荷载模式进行了预测研究，以进一步满足工程应用的需要。