软弱破碎围岩深埋隧道拱顶渐进性塌方机理及控制

摘要

隧道拱顶塌方事故是近年来隧道施工中造成重大人员伤亡的主要事故类型，危害极大。掌握隧道拱顶塌方的发生机理和演化规律是塌方事故控制的关键。基于上限变分法，建立深埋隧道拱顶塌方模型，推导出隧道拱顶塌方范围预测曲线，进一步结合软弱破碎围岩深埋隧道拱顶渐进性塌方特性，推导出隧道拱顶渐进性塌方范围全过程曲线，并与模型试验结果进行对比。据此提出拱顶塌方事故的安全性控制措施，揭示了预控制、过程控制两类措施下拱顶塌方控制机理和承载特性，并给出支护措施的围岩荷载确定方法。结果表明：隧道塌方宽度L随着初始黏聚力c₀和单轴抗拉强度σ_t的增大而增大，随着重度γ和非线性系数m的增大而减小；隧道塌方高度h₁随着抗拉强度σ_t和非线性系数m的增大而增大，随着初始黏聚力c₀和围岩重度γ的增大而减小；考虑围岩黏聚力和抗拉强度的多次衰减，隧道拱顶渐进性塌方的预测曲线与模型试验的规律较为符合；根据控制机理和目标，可将拱顶塌方控制措施分为预控制和过程控制措施；形变荷载与塌方荷载的比值κ随着初期刚度系数k₀、原岩应力p₀的增大而增大，随着塌方高度h₁、弹性模量E的增大而减小，且κ与隧道半径R和泊松比ν关系不大；围岩的形变荷载和总荷载均随着塌方荷载的增大而增大。

关键词

隧道拱顶塌方 / 上限变分法 / 塌方范围 / 渐进性塌方 / 安全控制 / 围岩荷载

基金资助

国家自然科学基金项目（51738002）; 住建部科技项目（2019–K–110）