本文選題：高鐵隧道　切入點(diǎn)：板巖　出處：《中國地質(zhì)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：鉆爆法在目前乃至將來很長一段時(shí)間仍將是隧道開挖的主要施工方法,在富含地下水地區(qū)采用鉆爆法開挖板巖隧道時(shí),爆破與地下水協(xié)同作用于隧道圍巖,易發(fā)生圍巖穩(wěn)定性問題甚至引發(fā)重大工程事故。板巖在我國湘、貴、云地區(qū)分布廣泛,是一種細(xì)粒狀鱗片變晶結(jié)構(gòu)、巖性較致密、通常具有密集板狀劈理(簡稱板理)的巖石,成分以絹云母、石英、綠泥石、綠簾石、伊利石等黏土礦物為主,特殊的成分及構(gòu)造使得板巖的膠結(jié)結(jié)構(gòu)在地下水作用下逐漸變得松散,體積不斷膨脹,強(qiáng)度與力學(xué)性質(zhì)遭到顯著劣化。在干燥環(huán)境下,爆破對板巖隧道圍巖產(chǎn)生的作用主要是使巖體發(fā)生損傷、劣化、開裂。但是,當(dāng)?shù)叵滤S富時(shí),長期累積爆破產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波和爆生氣體與地下水發(fā)生協(xié)同作用,共同劣化隧道圍巖的各類性質(zhì),具體表現(xiàn)為:爆炸應(yīng)力波使巖體發(fā)生初始劣化開裂,在巖體內(nèi)形成“爆破內(nèi)傷”,與此同時(shí),爆炸動力作用使孔隙水壓力升高、傳輸;隨后,爆生氣體和地下水兩相滲流進(jìn)入裂隙,導(dǎo)致裂隙在準(zhǔn)靜態(tài)、動態(tài)壓力下張開、擴(kuò)展;最后,爆生氣體在多孔裂隙巖體中傳輸并作用于孔隙水上,形成周期性的水楔作用,最終形成“爆炸應(yīng)力波-爆生氣體-地下水-圍巖”的物理和化學(xué)耦合作用,使圍巖微細(xì)宏觀結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)強(qiáng)度發(fā)生劣化。隨著我國在地下水豐富地區(qū)采用鉆爆法開挖隧道數(shù)量的不斷增加,對爆破-地下水協(xié)同作用下板巖隧道圍巖性質(zhì)劣化演變機(jī)理這一科學(xué)問題展開研究,既能為板巖隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供精確化指導(dǎo),又能進(jìn)一步豐富完善水-巖相互作用理論體系,對富水-軟巖相互作用理論具有較好的科學(xué)意義,對修訂完善隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、指導(dǎo)富水地區(qū)板巖隧道鉆爆設(shè)計(jì)和施工具有一定的工程應(yīng)用前景。本文以板巖隧道圍巖性質(zhì)劣化機(jī)理為研究中心,以爆破作用及賦存富水環(huán)境為工程背景,以滬昆客運(yùn)專線長昆湖南段第CKTJ-9標(biāo)段23座隧道為工程對象,通過現(xiàn)場調(diào)查、理論分析、現(xiàn)場試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究手段,從微細(xì)觀、宏觀、理化、力學(xué)等層面,開展了爆破-地下水協(xié)同作用下板巖隧道圍巖性質(zhì)劣化機(jī)理研究,論文完成的主要工作包括以下幾個(gè)方面:(1)對選題來源、目的和意義、國內(nèi)外研究進(jìn)展、發(fā)展趨勢及存在問題展開了全面分析和評述,對研究內(nèi)容、技術(shù)路線及創(chuàng)新性進(jìn)行了詳細(xì)闡述。(2)研究區(qū)工程概況和地質(zhì)條件調(diào)研及分析:依托滬昆客專長昆湖南段第CKTJ-9標(biāo)段工程實(shí)際,對研究區(qū)23座隧道的工程背景、概況及地質(zhì)條件進(jìn)行了精細(xì)現(xiàn)場調(diào)研,對現(xiàn)場資料進(jìn)行了搜集整理,對已有勘察報(bào)告實(shí)施了分析,為爆破-地下水協(xié)同作用下板巖隧道圍巖性質(zhì)劣化機(jī)理研究提供了工程與地質(zhì)基礎(chǔ)。(3)板巖隧道圍巖微細(xì)觀劣化機(jī)理研究:從“結(jié)構(gòu)及礦物成分微觀劣化規(guī)律、表面形貌細(xì)觀劣化規(guī)律、微裂紋擴(kuò)展細(xì)觀劣化準(zhǔn)則、微裂紋細(xì)觀斷裂擴(kuò)展過程”四個(gè)方面,研究了爆破-地下水協(xié)同作用下板巖隧道圍巖微細(xì)觀劣化機(jī)理。通過開展巖石薄片(切片)偏光顯微鏡試驗(yàn),分析了不同工況下板巖的微觀結(jié)構(gòu)、膠結(jié)類型、礦物顆粒排列情況,獲取了板巖微觀結(jié)構(gòu)劣化規(guī)律。通過多功能X-射線衍射(XRD)試驗(yàn),分析了板巖礦物成分及含量的變化情況,揭示了板巖礦物成分微觀劣化規(guī)律。通過環(huán)境掃描電子顯微鏡試驗(yàn),分析了板巖表面形貌細(xì)觀特征,揭示了板巖表面形貌細(xì)觀劣化規(guī)律。從爆炸應(yīng)力波、爆生氣體以及地下水孔隙水壓力三者耦合角度,構(gòu)建了板巖微裂紋擴(kuò)展的細(xì)觀劣化準(zhǔn)則。采用離散格子彈簧元模型,模擬了板巖細(xì)觀斷裂擴(kuò)展行為,揭示了板巖的細(xì)觀斷裂劣化規(guī)律。(4)板巖隧道圍巖理化劣化機(jī)理研究:從“基本物理參數(shù)指標(biāo)劣化規(guī)律、化學(xué)劣化反應(yīng)過程、地下水溶液化學(xué)成分變化特征、劣化板巖化學(xué)成分變化規(guī)律”四個(gè)方面,研究了爆破-地下水協(xié)同作用下板巖隧道圍巖理化劣化機(jī)理。定義了物理性質(zhì)劣化因子,開展了密度試驗(yàn)、電阻率試驗(yàn)、耐崩解性試驗(yàn)、現(xiàn)場波速測試,獲取了不同工況下板巖密度、電阻率、耐崩解性指數(shù)、縱波波速等基本物理參數(shù)指標(biāo)的劣化規(guī)律,揭示了板巖的物理劣化機(jī)理。通過分析板巖各類礦物與地下水發(fā)生溶解、水解、氧化、碳酸化等化學(xué)作用,揭示了板巖的化學(xué)劣化反應(yīng)過程。開展了干燥板巖室內(nèi)飽水試驗(yàn),通過分析板巖在飽水過程中地下水溶液化學(xué)成分的變化規(guī)律和特征,揭示了板巖由干燥到富水過程中化學(xué)性質(zhì)的劣化規(guī)律。通過室內(nèi)X射線能譜試驗(yàn),分析了富水劣化板巖化學(xué)成分隨爆破作用的變化規(guī)律,揭示了爆破-地下水協(xié)同作用下板巖的化學(xué)劣化規(guī)律。(5)板巖隧道圍巖宏觀劣化機(jī)理研究:從“圍巖振動效應(yīng)宏觀劣化機(jī)理、圍巖變形宏觀劣化機(jī)理”兩個(gè)方面,研究了爆破-地下水協(xié)同作用下板巖隧道圍巖宏觀劣化機(jī)理。定義了宏觀振動劣化因子,通過開展現(xiàn)場爆破振動測試,獲取了不同工況下劣化圍巖的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度、振動主頻率、振動持續(xù)時(shí)間、應(yīng)力波形態(tài)和頻帶能量等宏觀振動參數(shù)的變化特征。在爆破地震波理論能量耗散原理的基礎(chǔ)上,通過宏觀振動劣化因子與宏觀動力參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系,建立了宏觀振動劣化模型。定義了宏觀變形劣化因子,通過開展現(xiàn)場變形監(jiān)測,獲取了不同工況下劣化圍巖拱頂沉降、周邊收斂等宏觀變形參數(shù)的演變規(guī)律�；趲缀卧�,在建立拱頂沉降與周邊收斂相對位移幾何模型的基礎(chǔ)上,通過宏觀變形劣化因子與宏觀變形參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系,建立了宏觀變形劣化模型。(6)板巖隧道圍巖力學(xué)劣化機(jī)理研究:從“力學(xué)性質(zhì)參數(shù)劣化規(guī)律、劣化板巖破壞形態(tài)、圍巖抗力劣化機(jī)理”三個(gè)方面,研究了爆破-地下水協(xié)同作用下板巖隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)的劣化機(jī)理。定義了力學(xué)參數(shù)劣化因子,開展了室內(nèi)三軸壓縮力學(xué)試驗(yàn),通過分析不同累積爆破作用下板巖的三軸壓縮強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)的劣化規(guī)律,揭示了板巖力學(xué)性質(zhì)的劣化機(jī)理。建立了圍巖抗力理論計(jì)算模型,開展了現(xiàn)場徑向液壓枕抗力試驗(yàn),獲取了富水板巖的抗力系數(shù)隨累積爆破作用的變化規(guī)律,從理論和試驗(yàn)兩個(gè)層面綜合揭示了板巖抗力性質(zhì)的劣化機(jī)理。(7)爆破-地下水協(xié)同作用下板巖隧道圍巖劣化應(yīng)用研究:將爆破-地下水協(xié)同作用下板巖隧道圍巖各個(gè)層面的劣化機(jī)理與修正的Hoek Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則相結(jié)合。在微觀、細(xì)觀、宏觀結(jié)構(gòu)劣化基礎(chǔ)上,定義了巖體結(jié)構(gòu)指數(shù)RSI,描述劣化板巖的結(jié)構(gòu)條件;在物理、化學(xué)性質(zhì)劣化基礎(chǔ)上,定義了巖體風(fēng)化指數(shù)RWI,描述劣化板巖表面風(fēng)化條件;以此為基礎(chǔ),建立了能考慮爆破-地下水協(xié)同作用的地質(zhì)強(qiáng)度因子量化計(jì)算方法。在宏觀振動劣化基礎(chǔ)上,通過波動方程建立了聲波波速與彈性模量的關(guān)系;根據(jù)2002版Hoek Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則獲取了彈性模量與擾動參數(shù)的關(guān)系;在此基礎(chǔ)上,獲得了縱波波速與擾動參數(shù)的量化關(guān)系式,從而建立了考慮爆破作用的擾動參數(shù)的量化計(jì)算方法。最后,建立了爆破-地下水協(xié)同作用的劣化板巖強(qiáng)度定量確定方法并應(yīng)用于具體工程實(shí)際,對劣化后的隧道圍巖強(qiáng)度展開分析和計(jì)算。
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【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：U452.1
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本文編號：1656239