高地应力区域TBM组装洞室围岩稳定性分析与锚杆参数优化

摘要

随着国民经济的持续快速发展，我国在水电、水利、铁路、公路、矿山等领域的建设正密集展开，相关地下洞室有更深、更长、更大的发展趋势。在深埋隧洞勘察设计和施工过程中，高地应力的存在，是影响洞室稳定的重要因素，已为大量工程实践所证实。尽管国内外对高地应力条件下地下洞室的围岩稳定性进行了诸多研究，但大部都集中于对单一工程的定性或定量分析，对施工支护方案决策还缺乏系统的评价体系，而且常规条件下的围岩稳定分析与围岩实际状态经常会得出不相符合、甚至截然不同的结果。
　　 本文以锦屏二级水电站3＃引水隧洞TBM大断面组装洞室开挖为工程背景，系统研究了高地应力下地下洞室开挖围岩应力、位移变化规律。通过多指标分析及综合评价，确定了洞室合理开挖方案及锚杆支护参数。本文主要内容如下：
　　 (1)结合对区域地应力场的组成及影响因素认识，给出高地应力条件下区域地应力场的计算方法，采用有限元数学模型回归分析方法对三维地应力场进行反演，为后续高地应力条件下地下洞室稳定性数值分析提供必要的技术准备。
　　 (2)高地应力下大型地下洞室开挖过程中的围岩变形破坏特征、演化过程与一般应力条件情况有明显差别。根据高地应力条件下岩体破坏机理及准则，给出了表征围岩破坏程度的围岩松弛系数、围岩安全系数、塑性区范围以及能量转移、释放等围岩稳定性指标，并依据能量释放原则给出了施工过程中的岩爆预测新指标-区间统计平均能量释放率。在考虑多目标优选的基础上给出了围岩稳定、岩爆预测以及方案优化的综合评价体系。
　　 (3)以高地应力区的锦屏二级水电站3＃引水隧洞TBM组装洞大断面地下洞室开挖为工程实例，分析了不同开挖方案及开挖进尺对地下洞室的围岩稳定性影响，并根据区间统计平均能量释放率大小，对岩爆进行了探索性研究。通过多指标评价，确定了洞室合理开挖方案及开挖进尺。
　　 (4)地下洞室支护参数大多依据工程类比进行取值，本文对TBM洞室的锚杆支护参数进行了数值模拟优化研究，分析了不同锚杆长度及拱顶锚杆预应力大小对围岩应力、变形、塑性区及岩爆影响，通过多指标评价，确定了锚杆合理支护参数。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2面临的主要技术问题

1.3相关技术问题研究进展

1.3.1 初始应力场的研究

1.3.2高地应力条件下地下洞室数值分析研究

1.3.3 高地应力条件下地下洞室围岩稳定指标

1.3.4大断面地下洞室开挖与支护研究现状

1.4论文研究内容

1.4.1论文研究意义

1.4.2研究内容

第2章初始地应力场反演

2.1地应力场组成及影响因素

2.1.1地应力场的组成成分

2.1.2地应力场影响因素

2.2初始地应力场回归分析原理

2.3地应力场反演计算方法

2.3.1 实测地应力的坐标转换

2.3.2地应力场反演方法

2.3.3 局部地应力场确定

2.4本章小结

第3章 高地应力下围岩稳定性评价指标

3.1高地应力下围岩破坏机理及评价指标

3.1.1围岩破坏机理

3.1.2围岩破坏准则

3.1.3 围岩稳定性评价指标

3.2高地应力下岩爆评价指标

3.2.1 岩爆定义及破坏机理

3.2.2能量释放率

3.2.3 局部能量释放率

3.2.4区间统计能量释放率

3.3本章小结

第4章TBM组装洞室施工方案优化

4.1工程概况

4.1.1地质条件

4.1.2施工方案

4.2数值模型建立

4.2.1 计算范围与计算模型

4.2.2初始应力及边界条件

4.2.3 岩体破坏准则及材料参数

4.3开挖方案的稳定性评价

4.3.1洞周位移场分布特征

4.3.2洞周应力场分布特征

4.3.3塑形区分布及演化过程分析

4.3.4能量释放演化过程分析

4.3.5综合评价

4.4开挖进尺研究

4.4.1位移变化规律

4.4.2应力变化规律

4.4.3塑性区变化规律

4.4.4能量释放演化过程分析

4.4.5综合评价

4.5本章小结

第5章 TBM组装洞室锚杆参数优化

5.1锚杆长度研究

5.1.1位移变化规律

5.1.2应力变化规律

5.1.3 塑性区变化规律

5.1.4锚杆轴力变化规律

5.1.5能量释放演化过程分析

5.1.6综合评价

5.2锚杆预应力大小研究

5.2.1位移分析

5.2.2应力分析

5.2.3塑性区分析

5.2.4锚杆轴力分析

5.2.5 能量释放演化过程分析

5.2.6综合评价

5.3本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果