热害隧道全长粘结式锚杆力学性能及损伤机理研究

在模拟热害环境基础上，通过材料组配性能试验、锚杆拉拔模型试验、界面粘结力试验及扫描电镜等微观试验展开相关研究工作。主要进行的研究工作包括： （1）研究了水泥灌浆料在不同温度（20℃、35℃、50℃、70℃）及湿度条件下抗压强度的变化规律。研究表明：湿热环境下水泥砂浆灌浆料的抗压强度随温度的升高而升高；干热环境下水泥灌浆料的抗压强度呈现出倒缩的趋势。湿热环境影响灌浆料强度的主要原因是早期高温养护效应，而干热环境下灌浆料抗压强度损失机理更加复杂，水化不充分，材料失水导致干缩、不良界面效应等。 （2）分析了高温条件下灌浆料的收缩机理和抑制措施。分别对比了水胶比、胶砂比、掺和料种类和含量对水泥浆体收缩的影响，结果表明：增大水胶比，水泥浆体的收缩也随之增大；收缩主要发生在较早的龄期；相同水胶比下，水泥胶砂试件的收缩要小于纯水泥试件；掺入30%粉煤灰、2%玄武岩纤维、10%重晶石粉和2%短钢纤维能够有效抑制水泥浆体的收缩。通过对试验数据的分析，提出不同配合比和矿物掺合料的收缩率预测模型。 （3）设计了干热环境下不同温度及围岩粗糙度下锚杆灌浆料抗拔强度的试验。结果表明：锚杆的养护温度对试件在第一、二界面拉拔试验中的破坏模式影响较小，但不同粗糙度的锚杆其破坏模式差异较大；当养护温度低于35℃时，锚杆的抗拔强度随温度升高而增大，当养护温度高于50℃时，锚杆的抗拔强度随温度升高而减小；对于无螺纹锚杆试件，第一界面的黏结强度大于第二界面，此类锚杆在工程应用中第二界面较第一界面更容易发生剪切破坏。围岩的粗糙度对锚杆的抗拔强度有较大的影响，围岩粗糙度越大，锚杆的抗拔强度越高，锚固效果越好。 （4）针对锚固段1000mm长的锚固体试件展开界面粘结应力分布试验研究，得到锚杆与灌浆体界面的轴力和剪应力分布随温度的升高，锚固段最大剪应力值越小，轴力沿锚固段长度衰减快。 研究成果可为改善热害隧道围岩支护中灌浆料及锚杆与灌浆料粘结性能提供一定的技术支持。 2100433B

锚杆支护是保证隧道围岩稳定的一种有效支护方式，其锚固体系本身的性能、灌浆料与围岩基体之间的粘结性能是关系到支护结构作用能否很好发挥的关键问题。随着隧道建设逐渐向长大深埋方向发展，热害（高地温）问题日渐突出，在湿（干）热环境下，灌浆料的物理性能指标、灌浆料与锚杆（第一界面）及灌浆料与围岩（第二界面）的粘结性能都会发生较大的变化，可能出现强度倒缩加剧、系统体积稳定性变差以及第一、第二界面粘结力严重损失，甚至脱粘开裂丧失支护作用。本项目通过材料组配性能试验、模拟环境试验和数值方法及微观测试技术研究揭示不同高地温情况下灌浆料物理性能、第一界面及第二界面粘结力学性能的变化规律，热微观结构及界面过渡区作用机理。建立高地温情况下第一界面及第二界面粘结力学模型及脱粘损伤判据。分析热害对灌浆料微观结构和宏观性能的影响，提出有效的热害情况下灌浆料及锚杆的合理组成材料和施工措施，以保证围岩支护安全及长期稳定。

热害隧道喷射混凝土性能研究的核心问题是粘结问题和变形问题。本项目在模拟热害环境基础上，通过宏观试验和微观测试分析等技术手段展开相关研究。主要进行的研究和创新工作包括：（1）设计2种喷射混凝土强度等级（C25、C30）和4种温度工况（20℃、35℃、50℃、70℃），研究了干热和湿热环境对喷射混凝土粘结强度的影响规律，揭示其影响机理，进一步证明了热害对粘结强度的不利影响。（2）研究了不同养护环境下喷射混凝土的变形性能，并特别研究了干热环境下纤维和矿物掺合料对喷射混凝土收缩变形的抑制效果. （3）从两个角度(即在基准配合比基础上掺加矿物掺合料或纤维材料)进行粘结强度改善探索性研究，并通过微观测试技术分析了改善效果和改善机理。结果表明干热环境下掺加钢纤维，湿热环境下掺加矿物掺合料，两个措施均可以明显改善喷射混凝土的粘结强度。（4）通过电通量试验，对热害环境喷射混凝土耐久性进行了初探。研究成果可为改善热害隧道初期支护混凝土性能提供技术支撑。 2100433B

断层错动是造成跨断层隧道结构变形过大甚至破坏的主要因素，国内外学者关于断层错动开展了不少研究，但多针对管线破坏机理，关于跨断层隧道破坏机理的研究较少。本项目针对逆断层粘滑错动问题，通过案例调研、物理模型试验、数值计算及理论分析等手段，研究错动位移下围岩变形、跨断层隧道变形破坏特征，分析逆断层粘滑错动下隧道破坏时的错动位移量以及破坏过程、形态、区域，揭示断层倾角等关键因素对隧道结构破坏形态及破坏范围的影响规律，提出逆断层粘滑错动下隧道结构破坏机理；对比分析不同铰接衬砌节段长度、剪切缝宽度等对结构变形、破坏的影响，提出隧道结构的抗错断合理设计参数。主要结论如下： 1）逆断层粘滑错动时围岩断裂面为一向下盘发展的曲面，断裂起始角与断层倾角相同，随错动量增加逐渐产生分叉，形成三角剪切带；断层水平传播距离、次断层发展高度以及三角剪切带最大宽度与断层倾角呈正比关系，断层传播到地表所需的错动位移与断层倾角无关，不同埋深条件下断层传播引起围岩变形差异不大； 2）随错动量增加上盘围岩压力发生明显增幅，上盘距断层线0.8倍断面高度处围压最大、下盘距断层0.8倍断面高以外的区域围压趋于稳定；埋深越大，上、下盘及断层带围压差异越明显，埋深104m隧道拱顶最大土压力是埋深30m隧道的3.25倍； 3）隧道结构可视为一弹性地基梁，承受弯曲、剪切与挤压组合作用，顶、底部外侧受压，拱腰外侧受拉，上盘存在一个反弯点，受影响区域为断层两侧共4.8倍断面高度范围；断层倾角是影响隧道纵向稳定性的主要因素，倾角越小，稳定性越差； 4）结构表现为直接剪断型破坏、张拉-挤压型破坏、张拉-挤压-剪切破坏三类，断层倾角由75°变为45°时，结构由直接剪断型破坏过渡为张拉-挤压型破坏，破坏区域分别集中在断层两侧1.1倍、1.4倍、1.8倍断面宽度范围内； 5）依托工程合理抗错断设计参数：仰拱半径15m、C25二衬、厚55cm、变形缝间距10m、变形缝宽度0.5m。 6）研究成果已初步应用于棋盘石隧道工程。 2100433B

逆断层粘滑错动是地震造成跨断层隧道结构严重破坏的主要因素，国内外学者关于逆断层粘滑错动下管线的破坏机理、设计措施的研究较多，但是一般隧道断面尺寸相对管线要大得多，所表现出来的破坏模式也不同，关于逆断层粘滑错动下跨断层隧道破坏机理的研究较少。课题拟结合典型地震逆断层粘滑错动（如汶川地震、台湾集集地震）所引起的山岭隧道破坏模式，通过1：50物理模型试验和数值方法研究错动位移下地层变形、隧道与围岩接触压力、衬砌表面的环向、纵向应变以及裂缝的发生、发展过程，分析逆断层粘滑错动变形下上覆山岭隧道发生破坏时的错动位移量以及衬砌结构的破坏过程、方式以及区域，建立逆断层粘滑错动下上覆隧道的破坏机制与准则，提出抗错断的隧道结构刚度设计方法。同时，课题还拟对断层倾角、围岩性质、隧道埋深、衬砌刚度、隧道轴线与断层夹角对隧道结构破坏机理、形态以及破坏范围进行敏感性分析。