第一章 緒論

1.1 問題的提出
吉林中部供水隧洞是國內(nèi)兩個最長有壓隧洞之一，線路長，投資大。隧洞圍巖巖體質(zhì)量分級和巖體物理力學設(shè)計參數(shù)的選取對工程的影響非常大，尤其是圍巖彈性抗力系數(shù)的選取對襯砌的設(shè)計具有至關(guān)重要的指導(dǎo)作用。這是因為隧洞襯砌在受到徑向壓力后，圍巖由于襯砌的變形擠壓產(chǎn)生抵抗擠壓的反力，該反力反過來擠壓襯砌，為便于襯砌的優(yōu)化設(shè)計，就需要對襯砌和圍巖間的這種作用力進行充分考慮，它可以表征圍巖與襯砌聯(lián)合工作時，圍巖對荷載的分承能力，對圍巖和襯砌間這種抗力的大小的計算，可采用局部變形理論，其中一個關(guān)鍵數(shù)值就是巖體彈性抗力系數(shù)。

巖體彈性抗力系數(shù)確定最直接的方法就是現(xiàn)場試驗，但巖體變形試驗和巖體彈性抗力試驗耗費時間周期長，費用高，不可能大范圍進行。長江科學院在 1、2 號試驗平硐，進行了現(xiàn)場巖體力學試驗，為輸水總干線隧洞圍巖穩(wěn)定性及襯砌支護結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了關(guān)鍵的巖體變形模量和巖體單位彈力抗力系數(shù)等物理力學參數(shù)，但總干線 110 多公里長的隧洞，僅依據(jù) 2 個試驗平硐的現(xiàn)場試驗參數(shù)是不能完全滿足總干線全線隧洞的設(shè)計要求。由于現(xiàn)場試驗資料不足，致使隧洞圍巖變形參數(shù)的確定非常困難。為了工程安全，偏于安全的選取參數(shù)值是萬全之策，但會對工程投資造成巨大浪費，那樣作也制約了行業(yè)技術(shù)力量的發(fā)展。尤其 TBM 掘進開挖對圍巖的擾動較小，偏于安全的選取參數(shù)值已經(jīng)不適合當前技術(shù)水平的發(fā)展要求。因此，非常有必要通過理論計算和試驗研究，得到確定彈性抗力系數(shù)的一種方便、快捷、實用的估值方法，不僅方便該工程后續(xù)洞段圍巖彈性抗力系數(shù)的快速估算，甚至可以為其他同類工程中快速估算巖體彈性抗力系數(shù)提供參考亦或提供一種研究方法，這將大大節(jié)約工程投資，節(jié)省人力物力，縮短工期。本文就是以此為出發(fā)點開展的相關(guān)研究工作。

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1.2 圍巖抗力系數(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
眾所周知，對圍巖彈性抗力系數(shù)確定最直接的方法就是進行現(xiàn)場試驗，但是現(xiàn)場試驗由于受到試驗條件及資金等諸多條件限制，目前國內(nèi)進行過現(xiàn)場試驗的工程并不多，在這一方面的取得的研究成果并不多[1]。長江科學院最早于 1962-1964 年在三峽工程壩址選擇階段進行了徑向液壓枕法試驗，上世紀 80 年代國內(nèi)的幾大科研院所在隔河巖、龔咀、魯布格、映秀灣等水利工程進行了剛性長條荷載板法和徑向液壓枕法試驗[2]，探索簡便的試驗方法，并將剛性長條荷載板法正式編入利水電工程巖石試驗規(guī)范[3]。理論計算方面，學者對圍巖抗力系數(shù)進行的研究一般都是基于局部變形理論，即 Winkler 模型，在此模型的基礎(chǔ)上依據(jù)彈性理論和彈塑性理論推導(dǎo)出圍巖抗力系數(shù)解析表達式。1929 年，蘇聯(lián)科學院院士加廖爾金[4]提出了巖石抗力系數(shù)K 的計算公式，此后我國著名力學專家錢令希[5](1955 年)、葉金漢[6](1962 年)、扎利耶夫、陶振宇[7](1976 年)也導(dǎo)出了各種理論模型下的圍巖抗力系數(shù)計算公式。

呂有年[8]（1981 年）對加廖爾金公式、葉金漢公式進行了研究，推導(dǎo)了徑向裂隙發(fā)育而橫向裂隙不發(fā)育情況下的圍巖抗力計算公式。還提出了在加廖爾金公式的推導(dǎo)過程中忽略了彈性模量隨著徑向荷載的變化而變化的情況，但是并沒有就此做進一步的研究。然后運用彈性理論和塑性理論推導(dǎo)出圍巖抗力系數(shù)的計算公式，該公式和前人推導(dǎo)的公式具有通用性。蔡曉鴻[9-15]（1988 年）總結(jié)了前人研究成果，分別考慮了巖石進入塑性后可能出現(xiàn)的線性強化和折線軟化應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，推導(dǎo)了塑性軟化理論、塑性強化理論下的圍巖抗力系數(shù) K 的計算公式，并探討了新推公式與前人理論公式的相通性。除此之外還推導(dǎo)了廣泛應(yīng)用于巖土工程的莫爾-庫侖屈服條件下的圍巖抗力系數(shù)計算公式。徐栓強、俞茂宏、胡小榮[16][17](2004 年) 運用統(tǒng)一強度理論，針對前人在圍巖抗力系數(shù)研究過程中未考慮圍巖的中間主應(yīng)力效應(yīng)的問題，推出新的承受均布內(nèi)壓力圓形隧道圍巖抗力系數(shù)公式。這一公式既涵蓋了前人的研究成果，而且初步探討了中間主應(yīng)力效應(yīng)對圍巖抗力系數(shù)的的影響。張黎明、王在泉、賀俊征等[18]（2007 年）將圍巖劃分為松動區(qū)、彈性區(qū)、塑性區(qū)，采用全量理論得到復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巖體等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的關(guān)系。對均勻內(nèi)壓力作用下的壓力隧洞進行彈塑性分析 ，得出圍巖抗力系數(shù)在不同工況下的計算公式。

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第二章 工程概況及物理力學性質(zhì)試驗

2.1 工程概況

2.1.1 工程簡介

工程區(qū)域地處中緯度地帶，屬于大陸性季風氣候。春季氣候干燥，，夏季天氣炎熱雨水多，秋季晝夜溫差大，冬季天氣寒冷且持續(xù)時間較長。一年中寒暑溫差較大，春秋兩季時間短，受西北季風影響，冬季氣候寒冷，一般從 11 月上旬至次年 3 月下旬。日平均氣溫均低于零度。
輸水干線總體走向為北東向南西，東南地勢較高。沿線植被發(fā)育，山勢連綿起伏，山體呈北東走向。地貌單元按形態(tài)可劃分為中低山丘陵、波狀臺地及河流漫灘階地。線路飲馬河以東以中低山丘陵為主，飲馬河及雙陽河一帶以波狀臺地為主，過金大山后線路又以低山丘陵為主。

輸水干線區(qū)域各類基巖均為經(jīng)歷多次巖漿活動、構(gòu)造運動和變質(zhì)作用形成，區(qū)內(nèi)構(gòu)造裂隙和褶皺斷裂極其發(fā)育，地層巖性較為復(fù)雜。隧洞區(qū)主要巖性有花崗巖、砂巖、泥巖、凝灰?guī)r、砂礫巖等[43-44]。第四系主要分布在河谷，由新至老為全新統(tǒng)人工堆積、第四系全新統(tǒng)坡洪積堆積和第四系中更新統(tǒng)沖洪積堆積。河谷地層一般上部由粘土、壤土等組成，土體結(jié)構(gòu)松散，層理發(fā)育，含水量較高;下部則由砂礫石和黃褐色砂組成，二元結(jié)構(gòu)較為明顯。

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2.2 巖石（體）物理力學性質(zhì)試驗
2.2.1 巖石（體）聲波測試
（1）概念及儀器介紹
聲波發(fā)射系統(tǒng)包括發(fā)射機和發(fā)射換能器。試驗時，發(fā)射機發(fā)射一電脈沖信號至發(fā)射換能器，致使發(fā)射換能器中晶片產(chǎn)生振動，振動產(chǎn)生的聲波(彈性波)在巖體中傳播時，巖體或巖塊巖性的不同、風化程度的不同、結(jié)構(gòu)面構(gòu)造及充填情況的不同都會對彈性波的振幅頻率、傳播速度等產(chǎn)生影響。一般來說，巖體風化程度越低，越堅硬完整，巖體的波速越高，反之越小[45]。聲波自發(fā)射換能器發(fā)出，經(jīng)過接收換能器接收并將聲振動轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)放大就可以將波形顯示到顯示器。通過測出聲波傳播的時間和傳播距離就可以求出聲波波速。
巖石的點荷載試驗裝置由兩個球端圓臺加荷裝置和外部加壓油泵組成，將巖塊放在對點裝置中，通過油泵加壓，作用于對點裝置，進而作用于巖塊，持續(xù)加力直至巖塊破壞。巖塊的破壞形態(tài)為張拉作用下的劈裂破壞。所以可以根據(jù)點荷載試驗結(jié)果測得的點荷載強度值換算巖石的抗拉強度值，后來也根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系換算巖石的抗壓強度。巖石的點荷載強度指數(shù)可以采用點荷載強度試驗儀(圖 2.2.4)測得，點荷載強度試驗儀有著操作簡單，攜帶方便等優(yōu)點。點荷載儀一般由一對球端加荷裝置、加壓油泵，傳感器等荷載測量系統(tǒng)組成。點荷載試驗測試中試樣選取時既可采用規(guī)則的試件，也可以采用不規(guī)則的試件，這就極大的方便了野外試驗的進行，降低了試件制作成本，尤其對于風化嚴重或者軟弱破碎巖體的試驗優(yōu)越性更加明顯�，F(xiàn)場試驗見圖 2.2.5。

許多國內(nèi)外的學者對點荷載試驗的研究結(jié)果表明：點荷載試驗中巖塊的破壞是一種張裂破壞機制，其破壞的直接原因是巖塊在受到對點荷載加壓后，在受力作用線上產(chǎn)生的拉應(yīng)力迫使巖塊開裂破壞，這一研究結(jié)果與彈性球體在點荷載作用下應(yīng)力狀態(tài)的數(shù)學分析得到的結(jié)果基本一致。而且通過研究發(fā)現(xiàn)，不管巖體試樣是否規(guī)則，其受力作用線上的應(yīng)力狀態(tài)是基本一致的，這在理論上為點荷載試驗可以采用不規(guī)則試件提供了支撐。

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第三章 隧洞圍巖分級.........................................28
3.1 圍巖主要分類方法及國內(nèi)工程運用情況.....................28
3.1.1 現(xiàn)行圍巖主要分類方法..................................28
第四章 圍巖抗力系數(shù)理論模型...............................39
4.1 概述...................................................39
4.2 彈性模型................................................39
第五章 圍巖級別與巖石彈性抗力系數(shù)相關(guān)性建立.................64
5.1 彈性抗力系數(shù)經(jīng)驗估算法.................................64

5.1.1 巖體變形模量的確定...................................64

第五章 圍巖級別與巖石彈性抗力系數(shù)相關(guān)性建立

隧道圍巖彈性抗力是由于襯砌在受到徑向壓力后，圍巖由于襯砌的變形擠壓產(chǎn)生抵抗擠壓的反力，該反力反過來擠壓襯砌，最初是在水工有壓隧洞的研究中提出的，這種反力是由于圍巖對襯砌變形的限制產(chǎn)生的，所以并非圍巖主動產(chǎn)生所以稱其為彈性抗力，它的大小能夠體現(xiàn)出圍巖對內(nèi)部荷載的一個分擔能力，在隧道襯砌設(shè)計時具有重要的指導(dǎo)意義。

通常用巖體彈性抗力系數(shù) K 來表征圍巖的彈性抗力的大小，巖體彈性抗力系數(shù)的確定方法有：1）直接試驗方法；2）經(jīng)驗方法估算，根據(jù)現(xiàn)場測定巖體變形模量，通過變形模量換算計算抗力系數(shù)；3）理論計算。常用理論模型已經(jīng)在第四章中介紹。本章分別通過經(jīng)驗估算法和理論計算對吉林中部供水隧洞圍巖彈性抗力系數(shù)進行計算，并建立與圍巖質(zhì)量指標[BQ]值的相關(guān)性。

5.1 彈性抗力系數(shù)經(jīng)驗估算法
5.1.1 巖體變形模量的確定

根據(jù)第四章及 5.1 彈性抗力系數(shù)的研究結(jié)果，選�、蚣墖鷰r樣本 12 組，Ⅲ級圍巖樣本 13 組，Ⅳ級圍巖樣本 8 組，Ⅴ級圍巖樣本 6 組，分別通過經(jīng)驗估值法和理論模型對圍巖單位抗力系數(shù)進行計算，理論計算分別采用裂隙彈性模型、理想彈性體模型和塑性理論線性強化模型計算。地應(yīng)力根據(jù)相關(guān)報告[67]取 10Mpa。抗拉強度根據(jù)相關(guān)文獻研究成果取為單軸抗壓強度十分之一[68]。根據(jù)地下工程的特點，靜力測試下的變形參數(shù)更能體現(xiàn)地下巖體在受荷后的變形狀況，所以聲波測試所得動彈性模量須轉(zhuǎn)化為靜力測試靜彈性模量，關(guān)于動彈性模量和靜彈性模量關(guān)系的研究，國內(nèi)有大量的文獻研究成果，林英松[41]的動靜彈模試驗研究成果試驗樣本較多，涵蓋巖性較多，所以選用林英松的動靜彈模相關(guān)關(guān)系（式 5-12）將本工程聲波測試所得動彈性模量轉(zhuǎn)化為靜彈性模量，并進一步求得單位彈性抗力系數(shù)理論計算值。

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第六章 結(jié)論與展望

目前，對于圍巖彈性抗力系數(shù)的選取，一般都是根據(jù)相關(guān)工程的規(guī)范和規(guī)程提供的經(jīng)驗值選取，但是不足之處一是規(guī)范給出的是普遍意義下的經(jīng)驗值，而針對每個工程又有著各自的獨特性，所以這就給彈性抗力系數(shù)的選取帶來不小的誤差，一般的選取都是極其保守的，這樣就大大提高了工程造價；二是即使工程具有普遍性，適用于規(guī)范中的提供的單位彈性抗力系數(shù)，但是規(guī)范中數(shù)據(jù)是根據(jù)不同圍巖級別給出了一個取值范圍，該取值范圍區(qū)間較大，在設(shè)計選取時還是帶來一定的困難。

6.1 本文主要成果
（1）室內(nèi)巖石物理力學試驗、現(xiàn)場聲波測試等研究成果，得到了關(guān)鍵的巖體波速值和點荷載強度值，參照最新規(guī)范《工程巖體分級標準》（GB50218-2014）對輸水總干線隧洞進行圍巖分級，并得到修正后的圍巖 BQ 值。

（2）整理歸納前人對諸如彈性模型、裂隙彈性體模型的圍巖彈性抗力系數(shù)理論計算表達式，并在參考前人研究方法的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了基于 Mises 屈服準則，考慮地應(yīng)力影響下的理想彈塑性模型和塑性理論線性強化模型的圍巖抗力系數(shù)的解析計算表達式。

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參考文獻（略）

本文編號：198710