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

【摘要】：鉆爆法在目前乃至將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間仍將是隧道開(kāi)挖的主要施工方法,在富含地下水地區(qū)采用鉆爆法開(kāi)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(wèn)題甚至引發(fā)重大工程事故。板巖在我國(guó)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(jiǎn)稱(chēng)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(duì)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(kāi)裂。但是,當(dāng)?shù)叵滤S富時(shí),長(zhǎng)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(lèi)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(kāi)裂,在巖體內(nèi)形成“爆破內(nèi)傷”,與此同時(shí),爆炸動(dòng)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(dòng)態(tài)壓力下張開(kāi)、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(guó)在地下水豐富地區(qū)采用鉆爆法開(kāi)挖隧道數(shù)量的不斷增加,對(duì)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(wèn)題展開(kāi)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(duì)富水-軟巖相互作用理論具有較好的科學(xué)意義,對(duì)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(zhuān)線(xiàn)長(zhǎng)昆湖南段第CKTJ-9標(biāo)段23座隧道為工程對(duì)象,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)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(duì)選題來(lái)源、目的和意義、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展、發(fā)展趨勢(shì)及存在問(wèn)題展開(kāi)了全面分析和評(píng)述,對(duì)研究?jī)?nèi)容、技術(shù)路線(xiàn)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(zhuān)長(zhǎng)昆湖南段第CKTJ-9標(biāo)段工程實(shí)際,對(duì)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(chǎng)調(diào)研,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)資料進(jìn)行了搜集整理,對(duì)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(guò)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(guò)開(kāi)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(lèi)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(guò)多功能X-射線(xiàn)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(guò)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(guò)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(kāi)展了密度試驗(yàn)、電阻率試驗(yàn)、耐崩解性試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)波速測(cè)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(guò)分析板巖各類(lèi)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(guò)程。開(kāi)展了干燥板巖室內(nèi)飽水試驗(yàn),通過(guò)分析板巖在飽水過(guò)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(guò)程中化學(xué)性質(zhì)的劣化規(guī)律。通過(guò)室內(nèi)X射線(xiàn)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(dòng)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(dòng)劣化因子,通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試,獲取了不同工況下劣化圍巖的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度、振動(dòng)主頻率、振動(dòng)持續(xù)時(shí)間、應(yīng)力波形態(tài)和頻帶能量等宏觀振動(dòng)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(guò)宏觀振動(dòng)劣化因子與宏觀動(dòng)力參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系,建立了宏觀振動(dòng)劣化模型。定義了宏觀變形劣化因子,通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè),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(duì)位移幾何模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)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(kāi)展了室內(nèi)三軸壓縮力學(xué)試驗(yàn),通過(guò)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(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)劣化基礎(chǔ)上,通過(guò)波動(dòng)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(dòng)參數(shù)的關(guān)系;在此基礎(chǔ)上,獲得了縱波波速與擾動(dòng)參數(shù)的量化關(guān)系式,從而建立了考慮爆破作用的擾動(dòng)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(duì)劣化后的隧道圍巖強(qiáng)度展開(kāi)分析和計(jì)算。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：U452.1
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本文編號(hào)：1656239