基于结构面特征精细识别与模拟的洞室超挖预测理论研究

裂隙岩体地下洞室超挖预测是保证工程安全和节省投资的重要研究内容。课题拟从影响洞室超挖的根本因素-结构面入手，对裂隙岩体结构面的基本特征精细识别，提出并实现基于结构面形成机理、分期（构造作用）及开挖扰动条件下的结构面仿真模拟方法，并依据岩体三维质量指标及三维块度指标对模拟精度进行校正；通过室内试验，研究不同结构面组合及不同单元方向条件下的岩体变形规律，提出应用非连续变形分析方法确定岩体几何参数与力学参数之间关系的基本方法；并将仿真模拟方法与非连续变形分析理论相结合，对地下洞室超挖块体大小进行系统预测，重点研究考虑开挖边界形状及开挖进尺的结构面三维空间网格的形成，建立考虑结构面基本特征精细识别与模拟的超挖预测基本理论。本课题的研究不仅是研究洞室超挖问题的重要基础，而且是洞室空间合理布置和开挖进尺合理优化的重要依据。同时，将促进人们对洞室超挖机理的深入认识，推动洞室超挖预测理论的发展和完善。

课题从岩体结构面入手，对岩体结构面的几何特征精细识别，提出并实现基于结构面形成机理、分期（构造作用）及开挖扰动条件下的结构面仿真模拟方法，并依据岩体三维质量指标及三维块度指标对模拟精度进行校正；通过室内试验，研究不同结构面组合及不同单元方向条件下的岩体变形规律，提出应用非连续变形分析方法确定岩体几何参数与力学参数之间关系的基本方法；并将仿真模拟方法与非连续变形分析理论相结合，对地下洞室超挖块体大小进行系统预测，重点研究考虑开挖边界形状及开挖进尺的结构面三维空间网格的形成，初步建立考虑结构面基本特征精细识别与模拟的超挖预测基本理论。主要工作如下：（1）开展结构面的现场调查工作，并对结构面的几何特征进行精细识别和统计分析；（2）基于离散元、DDA、结构面网络模拟和块体理论等技术和方法，采用室内试验和数值试验的手段，研究了结构面倾角、间距、组数、不同强度结构面组合以及尺寸效应等因素对岩体强度参数的影响，建立了岩体几何参数与力学参数之间的联系，提出广义的RQD指标评价方法，建立了岩体质量的评价体系；（3）开展了碎石土强度参数的现场试验、室内试验和数值试验工作，研究了碎石土在不同含石量、颗粒大小、颗粒形状以及颗粒级配情况下的剪切破坏机理，同时研究了重复剪切对碎石土强度参数的影响，并对不同情况下的碎石土的强度参数进行识别；（4）探讨了浅埋大跨度双连拱隧道三导洞法和中导洞法施工过程中，围岩应力场和位移场的分布特征及支护结构的内力演变规律；以应变软化的摩尔库伦准则为基础，引用破坏接近度的理论，运用FISH语言实现深埋洞室分区破裂化，分析了最大主应力方向、轴向应力大小、洞形等因素对分区破裂化的影响规律。通过程序重现了分区破裂化的形成过程，预测了底板和巷帮的分区破裂化发展趋势；除外，研究了在不同的开挖步爆破振动影响下隧道支护结构的应力位移分布以及发展过程，对混凝土损伤的发生发展过程进行了研究；同时对动载下的锚杆支护效应、不同角度锚杆的受力规律以及锚杆内轴向应力随时间的变化规律进行了分析研究。（5）提出了基于力学机理的结构面网络模拟技术，并开展了隧道围岩的超欠挖预测理论及方法的研究，基于地质统计模型、结构面网络模拟技术和洞室超欠挖预测理论等方法和段，成功实现了洞室超欠挖的预测，初步形成了基于结构面精细识别的洞室超欠挖预测理论及方法。