深部隧道围岩分层断裂机理及其主次承载拱构建技术

随着社会发展的需要，人们越来越需要在深部地层中开拓各种工程。由于深部区域存在高地应力、高地温及高水压，工程围岩对开挖的响应及破裂与常规埋深的岩石地下工程围岩存在差异，如分层或分区破裂现象。本项目在开发两套获得发明专利的专用试验装置的基础上，通过系列的室内模型试验、数值模拟计算及理论推演，对深部隧道围岩分层断裂机制及支护技术进行了深入探讨。揭示了深部地层因素（包括岩体的峰后力学性质、热力学特征、地温，等）和支护因素（包括锚杆锚固长度，间排距，预紧力及注浆）对分层断裂启动、断裂层数目、断裂层厚度、断裂层间隔、断裂层与完整层中应力与应变的影响机制。得出在一定的原始应力场中，围岩峰后临界塑性剪切应变值的大小对分层断裂的出现起到关键性作用。将隧道工程岩体分级稳定性判据与强度折减法结合起来，通过模拟试验确定了不同级别岩层中隧道围岩变形与等效载荷变化（强度折减）的关系曲线。利用收敛变形速率特征与围岩状态（连续或断裂）之间的内在联系，建立了判断围岩失效的突变分析模型，提出了隧道围岩自稳能力的表征指标及确定方法。在试验观察的基础上，按照整体状结构岩体，块状结构岩体和板桩结构岩体对于隧道开挖卸载的响应变形及屈服特征，将深部地层岩体概化归纳为Hoek-Brwon材料介质和Duncan-Fama介质。在导出Hoek-Brwon和Duncan-Fama材料岩体介质中各种非规则断面隧道等效纵向变形曲线，等效地层特征曲线及各种组合支护结构特性曲线建立方法的基础上，提出了以锚杆、喷射混凝土及钢拱架等构件为支护单元的初期支护结构系统稳定程度的安全系数设计计算方法及非确定性分析方法。以研制的承压岩溶水深部隧道施工工艺及锚注一体化的分段锚固式锚杆等专利技术为基础，开发了分层断裂围岩的深部隧道工程承载拱构建技术。本项目的研究成果，在某种程度上为围岩出现分层断裂现象的深部隧道工程的稳定性分析提供了可供选用的方法及相应支护加固技术。 2100433B

深部隧道围岩呈现的许多超常响应现象，提出了大量迫切需要研究的新课题。本项目以揭示其中围岩分层断裂现象产生机理并构建相应支护方法为目的。在大型地下结构试验平台上建造基于岩体结构的深部地层模型并在其内部安装模拟隧道开挖的局部卸载装置。采用声发射检测定位与光纤光栅传感技术联合监测开挖导致的围岩分层断裂发生、扩展及停止的全过程。通过建立深部岩体力学的损伤突变破断分析方法，结合试验结果，导出表征分层断裂围岩分布形态、力学状态特征的解析公式，揭示围岩分层断裂现象的形成机理。研制基于分层断裂机理的数值功能模块，将该模块植入FLAC软件核心机构，改造并扩充其功能，构建深部隧道开挖数值模拟工具。基于断裂圈分布形态机制，利用数值模拟工具，提出主、次承载拱联合支护原理、设计方法及其构建技术。本项目将解决围岩分层断裂的有关问题，有效遏止深部隧道工程的相关灾害，为深部地下工程围岩各种超常破裂现象机理研究提拱借鉴。

以学科发展和我国特大型油气输送管道建设中急需解决的关键技术问题为背景，针对高性能管线钢的分层断裂行为，对其所涉及的力学、材料学跨学科的前沿问题开展规范化、系统化的深入研究。通过实验研究、数值模拟和理论分析，研究分层裂纹的产生及其对断裂的作用机理。突破现有断裂理论的局限性，系统地发展断裂行为和材料性能耦合作用的理论及方法，建立基于应力场和材料性能耦合作用断裂特征量的表征方法。描述及模拟管线钢含分层裂纹断裂的破坏过程，揭示材料微观结构或组织与分层断裂宏观力学行为间的关联及其在断裂过程中的演化。提出基于应力场和材料性能耦合作用的断裂准则，为我国大型油气输送管线的设计与安全评定提供理论依据。探索合理利用断裂过程中产生的分层裂纹提高管材实际韧性的新途径，为高性能管线钢材料的研制提供新思路。本研究不仅对学科发展具有重要意义，也对保证我国大型油气输送管道的安全具有重大的现实意义。

以学科发展和我国特大型油气输送管道建设中急需解决的关键技术问题为背景，针对高性能管线钢的分层断裂行为，通过实验研究、数值模拟和理论分析，研究了分层裂纹的产生及其对断裂的作用机理，本研究的主要工作如下： 对裂纹和不同形式缺口端部弹塑性三维应力、应变场进行了有限元分析，分析缺陷尺寸、缺陷距离以及试样厚度之间的耦合关系。进行了X70和X80管线钢以及X80热挤压成型大口径三通不同部位和取向材料拉伸性能和冲击韧性实验，研究管线钢的力学性能及其力学性能的分布规律。分别对T-S取向和T-L取向的含V型缺口三点弯曲试样分层裂纹出现前后的缺口根部三维应力场进行有限元分析计算，研究分层裂纹对管线钢断裂性能的影响。基于影响分层裂纹的两大因素——材料特性与裂尖三维应力场两方面，采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究含裂纹管线钢试样分层裂纹产生的机理及规律。在分析材料弱界面特性的基础上，针对含裂纹管线钢模型中属于脆性断裂的分层裂纹和属于韧性断裂的主裂纹，分别选取不同的断裂准则作为判定主裂纹和分层裂纹断裂的标准。采用有限元方法分析分层裂纹产生与材料的力学性能、试样厚度、主裂纹形式的耦合关系，得出管线钢中分层裂纹产生的规律。根据不同规格X80大口径热挤压成型三通爆破压力下的应力应变状态、爆破现象及断口形貌，对X80大口径热挤压成型三通全尺寸爆破断口分层裂纹的产生机理及条件进行分析。 本研究系统地研究了材料断裂行为和材料性能耦合作用，建立基于应力场和材料性能耦合作用断裂特征量的表征方法。描述及模拟管线钢含分层裂纹断裂的破坏过程，揭示材料力学性能分布与分层断裂宏观力学行为间的关系及其在断裂过程中的演化，为我国大型油气输送管线的设计与安全评定提供理论依据。探索了合理利用断裂过程中产生的分层裂纹提高管材实际韧性的新途径，为高性能管线钢材料的研制提供新思路。 2100433B

《深部巷道围岩破裂演化过程及其稳定控制机理》采用大尺度三维模拟试验、原位测试和数值模拟，对深部巷道围岩破坏过程中的应力、变形演化规律和破坏机制进行了探讨，同时对支护结构作用和承载结构形成机理进行了分析，在此基础上，提出了深部高应力巷道破裂岩体的过程控制机理与技术。

《深部巷道围岩破裂演化过程及其稳定控制机理》可为岩土工程相关研究生教学参考，亦可作为从事深部岩土工程研究人员的参考用书。