软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏研究
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摘要
摘要
当前我国隧道工程发展日新月异，但隧道围岩理论的发展相对于实际工程却
体现出一定的滞后性。隧道在开挖过程中极易发生塌方事故，而事故一旦发生，
生命财产损失、工期延误等将会接踵而来。因此，如何正确认识隧道围岩的破坏
机理，针对围岩破坏过程应当采取怎样的措施来预防灾害发生，已成为理论界和
工程界的首要研究对象。本文针对软弱破碎深埋隧道围岩，采用模型试验和数值
模拟相结合的方法对其渐进性破坏过程进行了深入研究，主要研究内容如下：
1、将新型压力传感器“FlexiForce”运用到岩土试验当中，代替了传统的土
压力盒，提高了试验的精度以及准确性。
2、利用同济大学能同时加载竖直荷载与水平荷载的大型试验机，研究不同
侧压系数下的软弱破碎深埋隧道的渐进性破坏过程。利用照相机进行直观破坏观
察记录，FlexiForce 传感器进行压力传感，光纤位移计进行位移监测，完成“高
精度、大模型、全记录”为特点的隧道模型试验。
3、根据在侧压系数 K不同情况下围岩的渐进性破坏过程，分出渐进性破坏
的各个阶段，得出岩体的侧压系数 K对围岩破坏机理的影响，随着隧道埋深增大
而增加。
4、采用有限元软件 FLAC3D 对相同模型试验条件下的进行模拟，将模拟的结
果与模型试验进行对照分析，得出隧道围岩的封闭最大剪切应变增量图形可以当
做判断隧道崩塌的一个判定方法。
关键词：深埋隧道,软弱破碎围岩,渐进性破坏,FLAC3D, FlexiForce
传感器
软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏研究
ABSTRACT
In spite of the rapid development of tunnel engineering in our country at present,
the development of the theory of surrounding rock lags far behind that of the actual
engineering. Collapse accidents are prone to occur in the process of excavation. Once
the accident happened, a series of problems such as loss of life and property or project
delay will ensue. Therefore, how to understand the failure mechanism of surrounding
rock, and what measures should be taken to prevent disasters caused by the failure
process of surrounding rock, have become primary study objects in theory and
engineering circles. With the method of model test and numerical simulation,
progressive failure process of weak broken deep buried tunnel surrounding rock was
studied in this paper. The main research contents are as follows:
1. Instead of the conventional earth pressure box, a new pressure sensor
“FlexiForce” was applied to the geotechnical experiment, improving the precision and
accuracy of the experiment.
2. By utilizing the testing machine in Tongji University which can apply vertical
load and horizontal load simultaneously, the progressive failure process of weak broken
deep buried tunnel under different lateral pressure coefficients was studied. Tunnel
model test characterized by “high-precision, large-model, full-record” was
accomplished, with damage directly observed and recorded through a camera, pressure
tested by “FlexiForce” sensor, and displacement monitored by an optical fiber
displacement meter.
3. According to the progressive failure process of lateral pressure coefficient under
different conditions of surrounding rock, progressive stages separated from destruction,
obtains the influence of lateral pressure coefficient of rock mass on the failure
mechanism of surrounding rock, which increases with increasing buried depth of tunnel.
4. Finite element software FLAC3D was used to simulate the process of tunnel
excavation and overload under the same model test condition. By comparing the
simulation results with the model test results, closed the maximum shear strain
increment graphics in the tunnel surrounding rock can be a method to judge the tunnel
collapse.
keyword：Deep tunnel, weak broken wall rock, progressive failure
FLAC3D, FlexiForce sensor
软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏研究
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ..................................................... 1
1.1 概述 ............................................................................................................ 1
1.1.1 问题的提出 ..................................................................................... 1
1.1.2 研究的意义 ....................................................................................... 1
1.2 国内外研究现状 ........................................................................................ 2
1.2.1 软弱围岩渐进性破坏研究现状 ..................................................... 2
1.2.2 侧压系数理论意义 ......................................................................... 2
1.2.3 相似模型试验系统研究现状 ......................................................... 3
1.3 本论文主要内容及研究方案 .................................................................... 5
1.3.1 研究内容 ......................................................................................... 5
1.3.2 实施方案 ......................................................................................... 5
1.3.3 研究方法 ......................................................................................... 6
第二章 相似理论及试验设计 ....................................... 7
2.1 基本相似理论 ............................................................................................ 7
2.1.1 物理现象相似 ................................................................................. 7
2.1.2 相似常数 ......................................................................................... 7
2.1.3 基本相似常数 ................................................................................. 7
2.1.4 相似指标 ......................................................................................... 7
2.1.5 相似准则 ......................................................................................... 9
2.2 相似三定理 .............................................................................................. 10
2.2.1 相似现象的性质——相似第一定理（相似正定理） ............... 10
2.2.2 相似判据的确定——相似第二定理（相似π定理） ............... 11
2.2.3 相似现象的必要和充分条件——相似第三定理（相似逆定理）
........................................................................................................................ 11
2.3 基本模型试验相似准则的导出 .............................................................. 12
2.3.1 用量纲分析法导出相似准则 ....................................................... 12
2.3.2 用方程分析法导出相似准则 ....................................................... 13
2.4 开挖方法选择 .......................................................................................... 17
2.4.1 全断面开挖法 ............................................................................... 17
摘要
2
2.4.2 台阶法施工 ................................................................................... 18
2.4.3 中隔壁法（CD 法） ..................................................................... 18
2.4.4 交叉中隔壁法（CRD 法） .......................................................... 19
2.4.5 双侧壁导坑法 ............................................................................... 19
第三章 模型试验与结果分析 ...................................... 21
3.1 试验仪器设备介绍 .................................................................................. 21
3.1.1 试验压力机 ................................................................................... 21
3.1.2 压力监测系统 ............................................................................... 23
3.1.3 位移传感器系统 ........................................................................... 27
3.2 试验方案 .................................................................................................. 30
3.2.1 试验计划 ....................................................................................... 30
3.2.2 试验过程 ....................................................................................... 30
3.3 K=1.0 渐进性破坏过程 ........................................................................... 35
3.3.1 破坏过程与破坏形状 ................................................................... 35
3.3.2 渐进性破坏过程 ........................................................................... 35
3.3.3 围岩应力与位移变化规律 ........................................................... 38
3.3.4 结论 ............................................................................................... 43
3.4 k=0.5 渐进性破坏过程 ............................................................................ 43
3.4.1 破坏过程与破坏形状 ................................................................... 43
3.4.2 渐进性破坏过程 ........................................................................... 43
3.4.3 围岩应力与位移变化规律 ........................................................... 46
3.4.4 结论 ............................................................................................... 52
3.5 本章小结 .................................................................................................. 52
第四章 基于 FLAC3D 的渐进性破坏模拟 ............................. 54
4.1 模型试验的缺点 ...................................................................................... 54
4.2 FLAC 的基本理论 ................................................................................... 54
4.2.1 有限元法与有限差分法求解过程 ............................................... 55
4.2.2 本构模型 ....................................................................................... 56
4.3 数值模拟过程 .......................................................................................... 61
4.3.1 模型建立过程 ............................................................................... 61
4.2.2 模拟过程 ....................................................................................... 61
4.3 隧道渐进性破坏研究及其结果分析 ...................................................... 63
4.3.1 K=1.0 数值模拟结果 .................................................................... 63
软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏研究
4.3.2 K=0.5 数值模拟结果 .................................................................... 67
4.3.3 讨论 ............................................................................................... 70
4.4 渐进性破坏过程的数值模拟 .................................................................. 71
4.4.1 K=1.0 渐进性破坏过程 ................................................................ 72
4.4.2 K=0.5 渐进性破坏过程 ................................................................ 76
4.4.3 讨论 ............................................................................................... 79
4.5 本章小结 .................................................................................................. 80
第五章 结论与展望 .............................................. 81
5.1 结论 .......................................................................................................... 81
5.2 展望 .......................................................................................................... 81
参考文献 ....................................................... 83
致谢 ........................................................... 87
攻读硕士学位论文期间发表论文及科研情况 ......................... 88
软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏研究
1
第一章 绪论
1.1 概述
1.1.1 问题的提出
十七世纪，欧洲开始进入运河时代，并陆续修建了许多运河隧道。十八世纪
二十年代前后，伴随着铁路运输业的兴起，法国、英国等欧洲国家率先开始修建
铁路隧道，随着铁路运输业的发展，美国和日本也开始自主修建铁路隧道[1]。二
十世纪初期，北美洲、欧洲一些国家的铁路开始形成网络，建成了 20 座大于 5公
里的长隧道。当时世界上最长的山岭铁路隧道是大清水双线隧道，于 1981 年建
成，长达 22228 米。
我国是一个多山国家，山地和丘陵占国土面积的三分之二。穿越这些地区的
隧道和地下工程常常遇到软弱围岩体，并受到高地应力的困扰，从而导致软岩大
变形等地质灾害，给地下工程界造成了严重困扰。软岩工程开挖后，支护系统除
了受到松脱岩石的自重，还受到随时间增长的变形压力。围岩变形的主要影响因
素包括岩体性质、原岩应力及支护刚度，且围岩变形随时间增长而发生改变。大
量的隧道工程表明，所有的围岩岩体破坏失稳都不是瞬时的，而是有一个时间历
程。其原因主要有个方面：一是开挖过程中施工因素的影响导致围岩表观层次的
损伤；二是隧道开挖后，随着开挖面附近荷载的变化，围岩内应力重分布，不连
续面不断的蠕变、演化，产生宏观断裂而引起的工程失稳。由此可见，软弱围岩
的变形破坏是渐进性的。
综上所述，隧道的破坏不是一个突变结果，而是一个慢慢变化的过程，而这
个过程是否有着自己的规律，则需要我们进行调查、研究、试验、探索。
1.1.2 研究的意义
之前已有学者如汪成兵[5]研究过浅埋隧道（埋深小于 100m）的渐进性破坏过
程，但是对于深埋隧道（埋深大于 100m）还未有人进行研究，国家发展速度日新月
异，对于深埋隧道的开挖要求也日益增多，故对此的研究迫在眉睫。
本文依托同济大学岩土及地下工程教育部重点试验室开放基金资助项目（No.
KLE-TJGE-B1108），并以杭州市萧山区新城路人防工程长山隧道为主要研究对象，
利用与同济大学合作的机会，使用同济大学国家重点试验室仪器进行试验和研究。
本文通过定制一套大型应力加载设备、高精度压力传感器、高精度位移传感器进行
比例试验模拟出软弱破碎围岩的深埋隧道渐进性破坏过程。又根据与模型试验相同
条件下的 FLAC3D 数值模拟软件进行对照，从而保证了试验结果的准确性，更好地揭
第一章 绪论
2
示了软弱破碎围岩的深埋隧道渐进性破坏阶段以及破坏过程，具有非常重要的理论
价值以及对现实工程的指导性意义。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 软弱围岩渐进性破坏研究现状
太沙基在研究边坡稳定性时首先提出了渐进性破坏的概念，即土体由初始状
态向塑性流动状态过渡的中间状态。围岩的失稳破坏是一个渐进过程，但是岩土
工程界认识到这一事实却是在 20 世纪 60 年代末，在此之后，渐进性破坏观点才
逐渐为广大工程技术人员所重视，并在相关领域内开展研究[4]。国内外很多学者
[21]通过模型试验来研究渐进性破坏的过程。由于国家的发展，近几年关于软弱围
岩的研究开始增多，但是许多研究还是在浅埋隧道研究（汪成兵等[5]，朱合华
[21]，李英杰[19]等）。浅埋隧道的破坏机理是从拱顶开始，向上发展。对于塌穿型
隧道，影响因素主要与埋深有关，埋深越大，在开挖围岩以后围岩的稳定时间越
短，塌方围岩向地面扩展的也越快，同时塌方程度也就越严重；埋深越小，发生
塌穿型塌方的可能性越大，当埋深小于某一定值时，可能导致开挖后的围岩应力
小于围岩强度，从而使得隧道保持稳定状态。
一般研究资料表明：对于同一类型的塌方，隧道周边应力变化幅度受隧道埋
深影响较大，且成正比[5]。然而深埋隧道的渐进性破坏却很少有人涉及。
1.2.2 侧压系数理论意义
对于土体而言，侧压系数是指土在半无限条件下受压时，侧向有效压力与垂直
有效压力之比[6]，即：
=x
z
k
（1-1）
上式中k是侧压系数，σ 'x是侧向有效压力，σ 'z为垂直有效压力。
根据世界范围内诸多现场资料的统计可知，当埋深超过 1 000 m时，水平应力为
垂直应力的 0.5～2.0 倍[9]。一些研究表明，侧压系数对巷道围岩的应力分布、破坏形
式等都有重要影响[10]，但对于软弱破碎围岩的局部化变形规律方面的相关研究仍鲜
见报道，即缺乏对软弱破碎围岩中剪切带的萌生、发展、分布规律及演变过程等的
研究。
现实的需要以及研究上的空缺，使得此项研究非常具有现实意义。
软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏研究
3
1.2.3 相似模型试验系统研究现状
隧道的模型试验是研究隧道变形的重要手段之一。物理模型能够在相似条件基
本符合的情况下克服力学和数学上的难点，真实地反映模型各个方面的变化规律，
有利于人们充分把握整个变形的本质。
模型试验基于相似性理论，不仅要求试验模型和原型相似，原型的一些特点也
应在模型中得到体现。根据相似性理论，模型试验所用材料应与反应原型的模型材
料一致。影响材料的物理力学性质的主要因素有模型材料的种类、比例以及各种子
材料的制作方法，这些影响因素综合起来会对试验模型产生重大影响。
1.2.3.1 相似性材料研究
理想的模型材料通常应具备以下特点：
（1）连续、均匀、各向同性；
（2）力学性能稳定，不易受一些其他不稳定的环境因素影响；
（3）原材料的配比对模型材料力学性能的影响不大，有利于保证材料力学性能
的稳定性，以便进行多次重复试验；
（4）易于实施测量，埋设传感器；
（5）便于模型制作、加工；
（6）对人体健康无危害；
（7）价格较低，能够大量取材。
大量试验结果表明，只用一种材料来模拟试验，不能很好地反映出试验的物理
特性。试验所用相似材料一般是由多种天然材料（如石灰粉、重晶石粉、粘土、木
屑等）和人工材料（如水泥、白乳胶、石蜡、树脂等）根据一定的配比混合而成
的。混合物材料的成分及其配比可通过大量的计算以及配比试验确定。
目前，国内通常使用以下几种模型材料：
（1）以重晶石粉为主，辅以石膏、石蜡、凡士林或油为基料，加入石英
砂、膨润土粉、铁粉等调整弹性模量和密度；
（2）采用石膏、细砂作为主要模拟材料，添加其他材料控制弹性模量以及
容重；
（3）单一石英砂材料以及重晶石+石英砂组成的砂性材料[11]。
以上常见的模型材料分别具有不同的特点，需要分别总结其适应的范围，然
后进行筛选。
（1）石膏
石膏是一种传统型材料，其作为模型材料已有近百年的历史。石膏属于气硬
性材料，通过与水的化学作用，可以在空气中凝结硬化。石膏的特性主要与石膏
第一章 绪论
4
粉末的含水量、磨细度、初凝、终凝时间有关。这些参数同时也会影响到模型材
料的物理性质。根据相关试验：模型材料的密实度和强度与石膏的磨细度成正
比；含水量越高，石膏也就会凝结的更慢，密实度与强度更低；初凝时间以及终
凝时间与强度成正比，但是时间越长，硬化时间也就越长。它的性质类似于混凝
土，都是抗压强度远大于抗拉强度的脆性材料。
（2）石膏混合材料
在实际模拟中，不可能只使用一种材料，因为要模拟的材料是岩土，不是石
膏。由于石膏具有之前提到的一些特性，故现实中常采用石膏与其他材料混合，
制作石膏混合材料。经常掺入重晶石粉、铁粉来提高容重以及弹性模量，若要减
小这两项数值，则加入木屑、云母、砂粉煤灰等。
1.2.3.2 隧道模型试验研究对象现状
根据国内外的研究进展，隧道模型试验的研究大致可分为如下几个方面：
（1）围岩与支护结构相互作用的研究
Chungsik 等错误!未找到引用源。在一系列模型试验的基础上，通过三维有限元
分析研究了钢管隧道的约束梁的变形行为。
谈杜勇[13]通过对连拱隧道的开挖过程模型试验研究得出结论：①中隔墙承受
了较大的压应力与偏向弯矩；②衬砌结构在开挖过程中限制了围岩的应力释放与
变形。
熊田芳[16]通过地裂缝区间地铁隧道模型试验研究得出结论：①衬砌结构不均
匀沉降位移变化规律相似围岩土体承受的附加压力越大，地裂缝错动位移引起的
围岩土压力和衬砌结构应力的变化越显著；②针对地裂缝长期缓慢活动不均匀沉
降变形发展问题，提出了沥青混凝土复合衬砌结构支护技术。
徐前卫等[17]通过对不同锚固方式下软弱破碎岩质边坡渐进破坏特性的模型试
验研究表明：①锚杆对软弱破碎岩质边坡的加固作用主要体现在抗剪止裂和增韧
补强机理方面，通过提高深部岩体的抗剪能力使其不易进入压剪破坏。②锚杆加
固不仅提高了岩体在水平方向抗拉伸的能力，而且还提高了岩体在竖直方向的变
形模量；③当无锚杆加固时，边坡的破坏面往往通过坡脚；而有锚杆加固时，破
坏面一般位于坡脚上方，④合理的锚杆直径和支护间距有助于提高边坡岩体的稳
定性。
（1）不同埋深条件、不同围岩条件对围岩稳定性的影响
李倩倩等[15]通过不同埋深下地铁隧道围岩破坏的试验研究得出：①在不同埋
深条件下，围岩的破坏演化规律大致相同。由于应力集中，起拱处发生剪切滑移
破坏，并逐渐向洞顶扩展。②在不同埋深条件下，围岩的最终破坏形式不同。对
软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏研究
5
于埋深小于 2.5D 的隧道，围岩塌落破坏发展到地表，塌落形式类似锥体；对于埋
深大于或等于 2.5D 的隧道，围岩破坏程度相对较小，围岩能够形成拱结构，坍塌
破坏未发展到地表，塌落形式类似拱形。
（2）不同监测手段方法
熊田芳[16]设计了与隧道模型试验相配套的测量装置，包括自主研制的适应地
裂缝区间地铁隧道长期监测和室内模型试验研究的柔性薄膜液压型土压力以及机
械式衬砌结构不均匀沉降测量系统。李英杰[19]等围岩压力监测系统由应力传感
器、数据采集系统等组成。压力测量实现了电气遥控测量，实现了压力自动化测
量。
1.2.3.3 数值模拟分析研究进展
地下工程中常用的各种数值模拟方法如有限差分法、有限元法、边界元法、离
散元法、无单元法以及拉格朗日元法等，其中有限元法、边界元法、有限差分法基
于连续介质力学的方法。
意大利的 G.Galli[20] 利用有限元方法模拟隧道开挖与支护过程中，使用摩尔
——库伦弹塑性失效准则模型，研究围岩和隧道掌子面位移之间的相互作用和影
响。国内外许多学者[21] 利用隧道开挖的有限差分方法，支撑条件动态段，应力分
布，围岩和支护结构的位移进行了详细的研究，隧道围岩变形及支撑和开挖顺序
的变化过程结构应力进行了分析。
1.3 本论文主要内容及研究方案
1.3.1 研究内容
针对软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏的特点，本文将对以下内容进行研
究：
（1）隧道模型加载以及监测；
（2）软弱破碎深埋隧道围岩模型试验的渐进性破坏过程；
（3）不同侧压系数对软弱破碎深埋隧道围岩的渐进性破坏影响；
（4）软弱破碎深埋隧道围岩的数值模拟。
1.3.2 实施方案
本课题针对软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏的特点，采用渐进性破坏模型
进行模拟，能够直观地观察到围岩的渐进性破坏情况，利用精确的测量手段，进
行破坏分析，同时结合相同条件下的数值模拟，进行对照，为解决现实工程案例
中的软弱破碎深埋隧道破坏提供理论支持，最终能够对隧道设计、施工提供借鉴
和指导。具体实施方案如下：
摘要：
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摘要摘要当前我国隧道工程发展日新月异，但隧道围岩理论的发展相对于实际工程却体现出一定的滞后性。隧道在开挖过程中极易发生塌方事故，而事故一旦发生，生命财产损失、工期延误等将会接踵而来。因此，如何正确认识隧道围岩的破坏机理，针对围岩破坏过程应当采取怎样的措施来预防灾害发生，已成为理论界和工程界的首要研究对象。本文针对软弱破碎深埋隧道围岩，采用模型试验和数值模拟相结合的方法对其渐进性破坏过程进行了深入研究，主要研究内容如下：1、将新型压力传感器“FlexiForce”运用到岩土试验当中，代替了传统的土压力盒，提高了试验的精度以及准确性。2、利用同济大学能同时加载竖直荷载与水平荷载的大型试验机，研究不...
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2025-01-09 21
作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：91 页
大小：5.99MB
格式：PDF
时间：2024-11-19
