炭质板岩蠕变特性研究及其在隧道变形控制中的应用
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摘要
板岩是地下工程中常见的层状岩体之一，具有显著的各向异性特征，属于典型的复杂岩体。高地应力下隧道工程岩体开挖，围岩变形破坏严重且时间效应显著，变形控制是关键。特别是遇水弱化严重的炭质板岩，还要考虑地下水对其蠕变特性影响。目前此方面的研究还很有限。本文以教育部“长江学者和创新团队发展计划（IRT1045）”为依托，以兰渝铁路高地应力炭质板岩大变形隧道为工程背景和主要研究对象，采用现场监测、试验研究、理论分析、数值模拟和工程试验相结合的研究方法，对深埋隧道层状炭质板岩蠕变特性与变形控制技术进行系统和深入的研究。论文的主要工作和成果如下：
①根据现场监测数据，对兰渝线多座隧道变形影响因素进行统计分析，建立考虑炭质板岩各向异性特征的遍布节理模型，得到了影响层状岩体变形的主要因素，基于数值模拟多元回归拓展分析获得了隧道场区宏观地应力场分布特征，分析得到炭质板岩隧道围岩变形机理及破坏模式。
②采用大型原位试验获得薄层炭质板岩的岩体力学参数以及变形破坏特征。对中厚层炭质板岩进行了单轴与三轴压缩试验，得到不同泡水时间下的各项基本力学特性参数。基于三轴蠕变试验，获得了不同含水状态下炭质板岩的轴向应变-时间与侧向应变-时间曲线，分析得到了蠕变随不同应力水平及不同泡水时间的变化规律。
③引入非线性粘塑性体与Burgers模型串联，得到可描述岩石非线性蠕变特性的非线性粘弹塑性模型。根据中厚层炭质板岩三轴蠕变试验结果，对模型参数进行了辨识。基于粘弹性位移反演理论，得到了薄层炭质板岩岩体蠕变参数。
④引入了长期蠕变损伤D′(w)和瞬间弹性损伤D (w)两个含水损伤因子，根据试验结果推导含水损伤演化方程，建立考虑含水损伤的炭质板岩非线性粘弹塑性蠕变方程，推导了模型的有限差分格式，利用FLAC3D进行本构模型二次开发，并模拟分析了不同含水状态下的围岩稳定性和支护结构变形及受力性状。
⑤引入围岩-支护粘弹性解析解，分析围岩变形以及围岩-支护相互作用力随时间的变化规律。建立三维数值模型，研究了炭质板岩隧道施工过程中围岩变形、应力以及支护结构随时空效应的演化规律。
⑥基于FLAC3D粘弹塑性数值计算，对台阶长度、仰拱闭合时机、二衬砌筑时机、锚杆长度以及临时仰等变形常规控制措施进行了优化研究，提出了围岩变形控制要点。
⑦国内外首次提出并开展高地应力软岩隧道超前导洞应力释放法、无约束预留空间法与柔性网罩预留空间法等变形控制技术的工程试验研究。定义了“变形有效释放期”概念及相应计算公式。
Slate is very common in layered rock mass of underground engineering, and hasobvious anisotropic characteristics, which belongs to the typical complex rock mass.Among deep buried tunnel engineering excavation of layered rock mass, surroundingrock's deformation failure and time effect's problems are serious where deformationcontrol should be considered as the key point. Especially the carbonaceous slateweakened serious by contacting water, should consider its' creep property affected bythe groundwater. At present, the study in this field is still very limited. This thesis isfunded by the Yangtse Rive scholar and innovation team development plan (IRT1045),and this paper take a typical tunnel that belong to Lan-Yu railway as the engineeringbackground and research object, research for the further analysis focus on carbonaceousslates' creep property and deformation control technology, through field monitoring,experimental research, theoretical analysis, numerical simulation and engineering testmethods. The main achievements in this thesis as follow.
①According to the field monitoring data, Lanzhou-Chongqing railway line tunneldeformation's influence factors were statistically analyzed, and obtained the maininfluence factors of layered rock mass deformation, considering the anisotropiccharacteristics of layered rock mass ubiquitous-joint model. Numerical simulation basedon multivariate regression analysis of expanding access to the tunnel field macrogeostress field distribution, analysis of deep buried tunnel layered surrounding rockaccess to large deformation mechanism.
②Acquired thin carbonaceous slate rock's mechanical parameters anddeformation characteristics according to large in-situ test. And thick layer ofcarbonaceous slate was tested in uniaxial and triaxial compression tests of the differentwater time, and got the basic mechanical parameters. Based on triaxial creep test,obtained carbonaceous slate axial strain-time and lateral strain time curve of differentsoak time, analysis the variation of the creep with different stress levels and differentsoak time.
③By introducing the series connection between non-linear viscoplastic body andthe Burgers model, which can describe the rock non-linear creep behavior of nonlinearviscoplastic model. According to the thick carbonaceous slate triaxial creep test results,the model parameters were identificated. Based on the viscoelastic displacement inversion theory, obtained the thin layer of carbonaceous slate rock creep parameters.
④Introduced the two water damage factor, long-term creep damageD′(w)andelastic damageD(w), and according to the test results, water damage evolutionequation is deduced, and established carbonaceous slate nonlinear viscoplastic creepequation model in consideration of water damage, follow to corresponding finitedifference method equation, realized FLAC3D constitutive model's secondarydevelopment, and simulated analysis surrounding rock stability and supporting structuredeformation and stress characteristics of different water content condition.
⑤Introduction of surrounding Rock-Supports viscoelastic analytic solution,analysis of layered surrounding rock deformation and surrounding rock-supportinteraction force's variation with time. Establishment of three-dimensional numericalmodel, studies the layered carbonaceous slate tunnel's surrounding rock deformation,stress and supporting structure evolution with time-space effect during constructprocess.
⑥Based on the FLAC3D viscoelastic numerical calculation, the step length, theinverted arch closure time, secondary lining construction time, cable length, temporaryinverted deformation routine control measures are studied for optimized research in thepaper, puts forward the layered surrounding rock large deformation control's key points.
⑦First put forward and carry out soft rock tunnel pilot heading stress releasemethod, unconstrained reserved space method and the flexible net enclosures reservedspace method in deformation control technology engineering research among highgeostress condition at home and abroad, put forward " deformation effective releaseperiod" concept and the corresponding calculation formula.
①根据现场监测数据，对兰渝线多座隧道变形影响因素进行统计分析，建立考虑炭质板岩各向异性特征的遍布节理模型，得到了影响层状岩体变形的主要因素，基于数值模拟多元回归拓展分析获得了隧道场区宏观地应力场分布特征，分析得到炭质板岩隧道围岩变形机理及破坏模式。
②采用大型原位试验获得薄层炭质板岩的岩体力学参数以及变形破坏特征。对中厚层炭质板岩进行了单轴与三轴压缩试验，得到不同泡水时间下的各项基本力学特性参数。基于三轴蠕变试验，获得了不同含水状态下炭质板岩的轴向应变-时间与侧向应变-时间曲线，分析得到了蠕变随不同应力水平及不同泡水时间的变化规律。
③引入非线性粘塑性体与Burgers模型串联，得到可描述岩石非线性蠕变特性的非线性粘弹塑性模型。根据中厚层炭质板岩三轴蠕变试验结果，对模型参数进行了辨识。基于粘弹性位移反演理论，得到了薄层炭质板岩岩体蠕变参数。
④引入了长期蠕变损伤D′(w)和瞬间弹性损伤D (w)两个含水损伤因子，根据试验结果推导含水损伤演化方程，建立考虑含水损伤的炭质板岩非线性粘弹塑性蠕变方程，推导了模型的有限差分格式，利用FLAC3D进行本构模型二次开发，并模拟分析了不同含水状态下的围岩稳定性和支护结构变形及受力性状。
⑤引入围岩-支护粘弹性解析解，分析围岩变形以及围岩-支护相互作用力随时间的变化规律。建立三维数值模型，研究了炭质板岩隧道施工过程中围岩变形、应力以及支护结构随时空效应的演化规律。
⑥基于FLAC3D粘弹塑性数值计算，对台阶长度、仰拱闭合时机、二衬砌筑时机、锚杆长度以及临时仰等变形常规控制措施进行了优化研究，提出了围岩变形控制要点。
⑦国内外首次提出并开展高地应力软岩隧道超前导洞应力释放法、无约束预留空间法与柔性网罩预留空间法等变形控制技术的工程试验研究。定义了“变形有效释放期”概念及相应计算公式。
Slate is very common in layered rock mass of underground engineering, and hasobvious anisotropic characteristics, which belongs to the typical complex rock mass.Among deep buried tunnel engineering excavation of layered rock mass, surroundingrock's deformation failure and time effect's problems are serious where deformationcontrol should be considered as the key point. Especially the carbonaceous slateweakened serious by contacting water, should consider its' creep property affected bythe groundwater. At present, the study in this field is still very limited. This thesis isfunded by the Yangtse Rive scholar and innovation team development plan (IRT1045),and this paper take a typical tunnel that belong to Lan-Yu railway as the engineeringbackground and research object, research for the further analysis focus on carbonaceousslates' creep property and deformation control technology, through field monitoring,experimental research, theoretical analysis, numerical simulation and engineering testmethods. The main achievements in this thesis as follow.
①According to the field monitoring data, Lanzhou-Chongqing railway line tunneldeformation's influence factors were statistically analyzed, and obtained the maininfluence factors of layered rock mass deformation, considering the anisotropiccharacteristics of layered rock mass ubiquitous-joint model. Numerical simulation basedon multivariate regression analysis of expanding access to the tunnel field macrogeostress field distribution, analysis of deep buried tunnel layered surrounding rockaccess to large deformation mechanism.
②Acquired thin carbonaceous slate rock's mechanical parameters anddeformation characteristics according to large in-situ test. And thick layer ofcarbonaceous slate was tested in uniaxial and triaxial compression tests of the differentwater time, and got the basic mechanical parameters. Based on triaxial creep test,obtained carbonaceous slate axial strain-time and lateral strain time curve of differentsoak time, analysis the variation of the creep with different stress levels and differentsoak time.
③By introducing the series connection between non-linear viscoplastic body andthe Burgers model, which can describe the rock non-linear creep behavior of nonlinearviscoplastic model. According to the thick carbonaceous slate triaxial creep test results,the model parameters were identificated. Based on the viscoelastic displacement inversion theory, obtained the thin layer of carbonaceous slate rock creep parameters.
④Introduced the two water damage factor, long-term creep damageD′(w)andelastic damageD(w), and according to the test results, water damage evolutionequation is deduced, and established carbonaceous slate nonlinear viscoplastic creepequation model in consideration of water damage, follow to corresponding finitedifference method equation, realized FLAC3D constitutive model's secondarydevelopment, and simulated analysis surrounding rock stability and supporting structuredeformation and stress characteristics of different water content condition.
⑤Introduction of surrounding Rock-Supports viscoelastic analytic solution,analysis of layered surrounding rock deformation and surrounding rock-supportinteraction force's variation with time. Establishment of three-dimensional numericalmodel, studies the layered carbonaceous slate tunnel's surrounding rock deformation,stress and supporting structure evolution with time-space effect during constructprocess.
⑥Based on the FLAC3D viscoelastic numerical calculation, the step length, theinverted arch closure time, secondary lining construction time, cable length, temporaryinverted deformation routine control measures are studied for optimized research in thepaper, puts forward the layered surrounding rock large deformation control's key points.
⑦First put forward and carry out soft rock tunnel pilot heading stress releasemethod, unconstrained reserved space method and the flexible net enclosures reservedspace method in deformation control technology engineering research among highgeostress condition at home and abroad, put forward " deformation effective releaseperiod" concept and the corresponding calculation formula.
引文
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