多因素影响下深埋洞室锚固围岩稳定性分析及支护优化研究

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随着世界经济的高速发展,深部岩体工程的开发与利用已经成为地下工程领域研究的重要课题之一。由于深埋岩体工程赋存于典型的“三高一时一扰动”复杂力学环境中,其围岩在多种因素的共同作用下具有显著的流变特征,表现为围岩变形在施作初期支护一段时间后才趋于稳定。因此,研究支护条件下深埋洞室围岩的稳定性及其支护参数优化对确保深埋岩体工程安全施工具有极其重要的现实意义。本文在总结分析国内外研究成果的基础上,以预应力锚杆支护后的深埋围岩为研究对象,通过对预应力锚杆受力特征和围岩变形因素的系统分析,提出了基于锚杆受力来研究深埋洞室锚固围岩变形规律的反演分析方法,建立了多因素影响下的深埋洞室锚固围岩稳定性的模糊综合评价模型,进而优化了洞室开挖及支护方案。论文主要研究内容及成果如下:(1)研究了预应力锚杆的受力特征及其中性点的位置。深埋洞室开挖并完成初期支护后,锚杆与围岩产生协调变形。基于杆岩耦合原理和锚杆中性点理论,建立预应力全长锚固锚杆和围岩相互作用的力学模型,分析了支护条件下预应力锚杆的受力特征。根据杆体静力平衡条件,确定杆体表面剪应力为零的中性点位置和该处的最大轴力值。(2)探讨了锚杆支护条件下洞室围岩的变形规律。建立锚固围岩力学计算模型,基于Mohr-Coulomb屈服准则和中性点理论,考虑预应力锚杆的锚固效应,分析了初期支护条件下洞室围岩弹塑性区的应力分布规律,构建了杆体中性点处的最大轴力与围岩塑性区半径的解析关系式。结果表明,可以通过锚杆最大轴力值来反演分析围岩的变形范围。(3)分析了锚杆支护条件下深埋围岩变形的主要影响因素。深埋洞室锚固围岩变形是受开挖扰动、地质强度指标、锚杆预应力及孔隙水压力等主要因素同时作用的结果。基于杆体最大轴力与围岩塑性区半径的解析关系,推导出多因素影响下围岩变形范围和洞壁位移的理论公式。结果表明:洞室围岩塑性区及破裂区半径随开挖扰动和孔隙水压力的增加而增大,随地质强度指标和锚杆预应力的增加而减小。(4)建立了深埋洞室锚固围岩稳定性模糊综合评价模型。考虑深埋锚固围岩的变形特点,在总结分析地下工程常用稳定性评价方法的基础上,选取饱水岩石单轴抗压强度、岩体完整性系数、渗水量、岩体风化程度、开挖扰动、锚杆轴力、水平收敛和拱顶下沉作为评价因素,构建了深埋锚固围岩稳定性模糊评价模型,实现对深埋洞室施工阶段围岩稳定性的适时动态分析。(5)提出了深埋洞室开挖预留量及锚杆支护参数的优化方案。以秦岭某在建深埋引水隧洞为工程背景,在对该隧洞锚固围岩稳定性进行模糊综合评价的基础上,利用上述理论计算了初期支护条件下锚杆中性点位置、隧洞围岩变形范围及洞壁位移量,进而确定了该隧洞合理的开挖预留变形量及其锚杆支护参数。结合现场监测数据,验证了上述研究成果的工程适用性。研究成果对深埋洞室变形控制及安全施工具有积极意义。
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