深埋洞室围岩破裂区时空分布特征分析-analysis of space-time distribution characteristics of fracture zone of surrounding rock of deep-buried caverns.docx

摘要深部岩体赋存环境复杂，高地应力以及裂隙使其表现出与浅层岩体大为不同的变形破坏机理，分区破裂化现象就是其中之一。洞室开挖形成过程中，每个施工步围岩变形都会发生变化，因此围岩分区破裂是与时间和空间都相关的过程。由于分区破裂化时空演化特征尚未明确，可能导致洞室开挖后支护设计不合理以及支护时机选择不合理等诸多问题。目前对洞室开挖过程中分区破裂的时空分布研究较少，因此迫切需要开展深埋洞室围岩分区破裂时空特征的研究。本文针对分区破裂化的两个主要影响因素，即深部岩体峰后力学特性以及洞室开挖过程开挖面周围主应力旋转进行研究，做了以下工作：①考虑深部岩体峰后力学特性，引入内变量梯度理论，在分析材料本构关系时加入梯度项以考虑周围点对材料变形的影响。通过平面应变分析，获得静水和非静水压力条件下洞室围岩中等效非弹性应变解，得到洞室围岩内部各点等效非弹性应变的分布规律。②考虑地下洞室是一个逐步开挖的过程，洞室开挖卸荷后造成开挖面周围主应力发生旋转，围岩的应力和变形将随着开挖面的前进不断变化。通过数值模拟计算，分析不同初始地应力以及不同空间位置处，洞室围岩纵剖面上距开挖面不同距离应力的变化规律。并将洞室未开挖部分假设为半空间问题，利用Hankel积分变换获得未开挖部分各点的解。通过对洞室已开挖部分和未开挖部分的分析，建立深埋洞室开挖过程分区破裂化三维模型，获得分区破裂的时空分布特征。③基于开挖过程分区破裂化三维模型，对分区破裂时空分布特征影响因素进行参数敏感性分析。通过对不同初始地应力、内变量参数以及开挖速度进行分析，得到分区破裂化围岩中破裂区的数量、宽度和延伸长度的变化规律以及开挖中破裂区的演化过程。④将深埋洞室开挖过程分区破裂化三维模型运用于实际工程，模拟新汶矿区孙村矿巷道围岩中破裂区分布特征，并与现场探测结果进行对比分析，验证该模型的可行性与可靠性，揭示现场实际情况下分区破裂化的产生机制以及影响因素。关键词：分区破裂化；时空分布；内变量梯度理论；应力旋转；三维模型ABSTRACTDuetothecomplexityoftheenvironmentofdeeprockmass,themechanismofdeeprockdeformationandfailureisgreatlydifferentfromtheshallowrockmass.Zonaldisintegrationisoneofthetypicalphenomenonindeeprockmassengineering.Meanwhilethedeformationofthesurroundingrockintheprocessoftunnelexcavationwouldbeinfluencedbyeachconstructionstep.Thereforethezonaldisintegrationphenomenonshowsobviousspatialtemporalfeatures.Owingtothepoorconsciousnessforthefailureprocessandcharacteristicofzonaldisintegration,theaccurateevaluationonstabilityofsurroundingrockcouldn’tmade.Thesecausesomanyproblemssuchasunreasonablesupportdesignandsupportingopportunityafterexcavation.Sofar,themechanismofzonaldisintegrationisnotyetclearlyknown.Butlessefforthasbeenmadeonthetemporalandspatialdistributionofzonaldisintegrationintheprocessoftunnelexcavation.Soitisurgenttodosomestudyonthetemporalandspatialdistributionofzonaldisintegrationphenomenon.Aimingatthemaininfluencefactorsofzonaldisintegration,whicharethepost-peaksofteningruleofdeeprockmassandtheimpactofstressrotationofsurroundingrockduringexcavation,somestudyonzonaldisintegrationaremadehere:①Byconsideringthepost-peakruleofdeeprockmass,inter