CAJ | 학술논문

为研究超大断面隧道围岩随埋深逐渐增加的渐进性破坏过程,通过大型三维均匀梯度加载地质力学模型试验系统和软弱破碎围岩及其支护系统相似材料的研制,开展大跨度隧道围岩随埋深逐渐增加渐进破坏过程的大比尺模型试验,真实再现全断面和台阶法开挖段周边围岩及掌子面保留段软弱破碎围岩渐进破坏的全过程.首先,以一定范围内埋深(200～1 020 m)的双线大跨度隧道软弱破碎围岩(铁路隧道V级)为研究对象,采用铁晶粉、松香、石英砂、重晶石粉以及聚四氟乙烯棒等原料研制出具有应变软化特性的软弱破碎围岩、初喷混凝土以及锚杆等相似材料,并配以能实现精细开挖和支护施作的微型设备及其配套工艺,通过可实现三面均匀同步加载的大型三维地质力学模型试验台架模拟隧道全断面和台阶法施工的全过程,并采用光纤光栅传感器、电阻式应变计、多点位移计以及微型压力盒全程监测隧道洞壁及其整数倍洞径(0～3倍)范围内围岩的应力、位移以及近区荷载的变化信息；然后,对隧道全断面和台阶法开挖段以及掌子面保留段围岩进行超载试验,按50 m埋深等荷加载改变隧道埋深,直至隧道全断面无支护段围岩开始出现明显破裂特征,然后再按20 m埋深等荷加载缓慢增加隧道埋深,直至隧道全断面和台阶法支护段初喷混凝土大面积破坏脱落.试验结果表明:(1)在埋深不断增加过程中,隧道围岩破坏区域呈渐进扩大趋势,全断面无支护段周边围岩最早发生破坏,然后依次扩展至全断面支护段初喷混凝土和台阶法支护段初喷混凝土,最终破坏区面积顺次由大到小;(2)无支护段围岩破坏区和支护段衬砌结构破坏区均主要集中在拱顶上方区域,是衬砌结构破坏和围岩塌落荷载的主要来源,两侧边墙也存在局部破坏区,自边墙上部至拱角部位破坏程度逐渐加剧;(3)在埋深增加过程中,支护段围岩位移增长率小于无支护段,应力和荷载增长率恰相反,支护结构承载效应明显；(4)超载过程中,围岩的破坏深度不断增加,尤其是拱部呈现动态压力拱现象,据此确定顶部加固范围在理论上具有可行性.研究的方法技术及结果将对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义. 為研究超大斷麵隧道圍巖隨埋深逐漸增加的漸進性破壞過程,通過大型三維均勻梯度加載地質力學模型試驗繫統和軟弱破碎圍巖及其支護繫統相似材料的研製,開展大跨度隧道圍巖隨埋深逐漸增加漸進破壞過程的大比呎模型試驗,真實再現全斷麵和檯階法開挖段週邊圍巖及掌子麵保留段軟弱破碎圍巖漸進破壞的全過程.首先,以一定範圍內埋深(200～1 020 m)的雙線大跨度隧道軟弱破碎圍巖(鐵路隧道V級)為研究對象,採用鐵晶粉、鬆香、石英砂、重晶石粉以及聚四氟乙烯棒等原料研製齣具有應變軟化特性的軟弱破碎圍巖、初噴混凝土以及錨桿等相似材料,併配以能實現精細開挖和支護施作的微型設備及其配套工藝,通過可實現三麵均勻同步加載的大型三維地質力學模型試驗檯架模擬隧道全斷麵和檯階法施工的全過程,併採用光纖光柵傳感器、電阻式應變計、多點位移計以及微型壓力盒全程鑑測隧道洞壁及其整數倍洞徑(0～3倍)範圍內圍巖的應力、位移以及近區荷載的變化信息；然後,對隧道全斷麵和檯階法開挖段以及掌子麵保留段圍巖進行超載試驗,按50 m埋深等荷加載改變隧道埋深,直至隧道全斷麵無支護段圍巖開始齣現明顯破裂特徵,然後再按20 m埋深等荷加載緩慢增加隧道埋深,直至隧道全斷麵和檯階法支護段初噴混凝土大麵積破壞脫落.試驗結果錶明:(1)在埋深不斷增加過程中,隧道圍巖破壞區域呈漸進擴大趨勢,全斷麵無支護段週邊圍巖最早髮生破壞,然後依次擴展至全斷麵支護段初噴混凝土和檯階法支護段初噴混凝土,最終破壞區麵積順次由大到小;(2)無支護段圍巖破壞區和支護段襯砌結構破壞區均主要集中在拱頂上方區域,是襯砌結構破壞和圍巖塌落荷載的主要來源,兩側邊牆也存在跼部破壞區,自邊牆上部至拱角部位破壞程度逐漸加劇;(3)在埋深增加過程中,支護段圍巖位移增長率小于無支護段,應力和荷載增長率恰相反,支護結構承載效應明顯；(4)超載過程中,圍巖的破壞深度不斷增加,尤其是拱部呈現動態壓力拱現象,據此確定頂部加固範圍在理論上具有可行性.研究的方法技術及結果將對類似工程研究具有一定的指導和藉鑒意義.
위연구초대단면수도위암수매심축점증가적점진성파배과정,통과대형삼유균균제도가재지질역학모형시험계통화연약파쇄위암급기지호계통상사재료적연제,개전대과도수도위암수매심축점증가점진파배과정적대비척모형시험,진실재현전단면화태계법개알단주변위암급장자면보류단연약파쇄위암점진파배적전과정.수선,이일정범위내매심(200～1 020 m)적쌍선대과도수도연약파쇄위암(철로수도V급)위연구대상,채용철정분、송향、석영사、중정석분이급취사불을희봉등원료연제출구유응변연화특성적연약파쇄위암、초분혼응토이급묘간등상사재료,병배이능실현정세개알화지호시작적미형설비급기배투공예,통과가실현삼면균균동보가재적대형삼유지질역학모형시험태가모의수도전단면화태계법시공적전과정,병채용광섬광책전감기、전조식응변계、다점위이계이급미형압력합전정감측수도동벽급기정수배동경(0～3배)범위내위암적응력、위이이급근구하재적변화신식；연후,대수도전단면화태계법개알단이급장자면보류단위암진행초재시험,안50 m매심등하가재개변수도매심,직지수도전단면무지호단위암개시출현명현파렬특정,연후재안20 m매심등하가재완만증가수도매심,직지수도전단면화태계법지호단초분혼응토대면적파배탈락.시험결과표명:(1)재매심불단증가과정중,수도위암파배구역정점진확대추세,전단면무지호단주변위암최조발생파배,연후의차확전지전단면지호단초분혼응토화태계법지호단초분혼응토,최종파배구면적순차유대도소;(2)무지호단위암파배구화지호단츤체결구파배구균주요집중재공정상방구역,시츤체결구파배화위암탑락하재적주요래원,량측변장야존재국부파배구,자변장상부지공각부위파배정도축점가극;(3)재매심증가과정중,지호단위암위이증장솔소우무지호단,응력화하재증장솔흡상반,지호결구승재효응명현；(4)초재과정중,위암적파배심도불단증가,우기시공부정현동태압력공현상,거차학정정부가고범위재이론상구유가행성.연구적방법기술급결과장대유사공정연구구유일정적지도화차감의의.