破碎围岩隧道的模拟试验研究

在隧道开挖问题研究中，物理模拟能有效地模拟围岩破坏过程中非线性特征。本文根据选择模型材料的一般原则，通过10组不同配合比的合成材料力学性能试验，得到了一组能可靠模拟Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ类围岩的模型材料以建立破碎围岩的物理模型。 对于单拱破碎围岩隧道的构筑问题，作者设置了8个隧道模型，研究开挖对不同隧道围岩压力分布的影响，揭示了洞周径向压力的松弛范围与洞径、围岩特性、裸露时间的关系，得到双车道隧道压力松弛半径为1.2～2.0倍洞径，强烈松弛区半径为0.5～1.0倍洞径。并对支护时机与衬砌上压力、弯矩的相互关系、不同岩体锚杆的加固效果进行了分析研究，提出了破碎围岩的合理支护时机。得出破碎围岩(弹模为3.35GPa)拱顶产生30mm左右位移时施作衬砌为佳，此时的衬砌压力、弯矩均较小，受力分布也较均匀。进而对单拱模型进行了破坏试验，探讨了不同围岩隧道的变形破坏特点。 连拱隧道的构筑与中隔墙的形式、隧道的断面、开挖方式等均有密切的关系。通过4个连拱模型试验，研究了连拱毛洞开挖引起的应力场变化规律，对不同的连拱断面的衬砌受力差异进行了深入的分析，同时对中隔墙的受力特点也作了探讨，提出了合理的连拱隧道构筑方法及优化断面图。揭示了连拱隧道拱顶与中隔墙顶之间压力松弛最为强烈，松弛范围可达2倍洞径。通过连拱隧道的破坏试验，揭示了连拱破碎围岩隧道的破坏特征，得出破碎围岩连拱隧道最薄弱的位置为拱顶和中隔墙的结论。 采用特定的河砂作为模型材料成功地模拟了破碎围岩隧道在遇水情况下衬砌的受力变化规律及岩体的破坏过程，为开展同类型研究奠定了基础理论，为饱水岩体隧道开挖支护设计提供了依据。 在模型试验的基础上，提出了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩隧道在预支护下的优化施工方法，即下导洞适度超前全断面开挖与先行中导洞及中隔墙、其次两侧下导洞适度超前全断面开挖。通过三维有限元计算研究了隧道围岩的应力、位移特征，分析了隧道围岩不同开挖时步的应力变化特点以及支护结构的应力与位移的变化特征，进而论证了该施工方法的合理性和科学性。