摘要
近年来，国家对于水资源的开发利用越来越重视，进行了大量的相关工程，如引江济淮工程、滇中引水工程、西江大藤峡水利枢纽，而这些项目都具有高地应力、高埋深、高外水压力等特点，施工难度极高，为保证工程的顺利进行，进行相关试验研究刻不容缓。而本次研究基于国家大型项目“滇中引水”工程，将水量相对充沛的金沙江干流引水至于旱的滇中地区，以缓解当地的用水矛盾，其中香炉山隧洞是滇中引水工程的关键控制性工程，而主要问题就是引水隧道穿越断层破裂带的支护设计和优化问题。目前的研究成果仍然无法完全适用于“滇中引水”的工程背景，并且对于大埋深隧洞穿越断层破裂带支护的研究依然不够完善，也没有对支护进行量化分析。因此本文以其为工程背景开展的试验和数值模拟研究，取得的研究成果如下: (1)通过对含软弱夹层的类岩石试件进行加锚并开展单轴压缩试验，发现锚杆对不同倾角软弱夹层试件的支护效果不同，在对30°和60°倾角软弱夹层进行加锚时夹层试件连成整体，支护效果最佳;发现夹层试件加锚的最优锚固角范围为与夹层面法线夹角0°到30°，并且存在最优锚固长度在6cm和直径为2.8mm;并且当达到最佳支护范围的时候试件将出现极为规则的“龟裂”现象，可作为锚固最优的判定方式;最后通过对试验结果进行分析整理拟合出不同夹层倾角下不同锚杆倾角当量峰值强度的经验公式。 (2)通过对典型洞段进行物理力学模型试验，发现隧道开挖围岩应力受开挖扰动影响显著的区域在1倍洞径范围内，超过1倍洞径围岩应力变化较平缓;衬砌支护下硬岩部分最大变形约10mm，软硬交替部分最大位移约35mm，软岩洞段最大变形约60mm，而衬砌锚杆联合支护使得各洞段平均变形分别减小11％、21％和11％;软、硬岩相交洞段和软岩洞段围岩径向应力和切向应力的增大尤为明显，也即在软弱围岩洞段，锚杆的作用得到充分发挥，锚杆加固和支护效果更加显著。 (3)通过对隧道开挖进行Flac3D数值模拟，验证了模型试验在一倍洞径范围内应力和应变变化较大的基本规律，发现管片支护使得最大位移缩小8％，锚杆支护后缩小到6％，联合支护后缩小到14％，达到最佳效果。并且发现进行衬砌支护之后隧道穿越断层部分的应力得到很大的缓解，而锚杆的支护使得隧道外围的应力集中得到缓解，但于掌子面的边界的应力集中依然存在。 (4)通过对不同埋深、断层倾角、断层厚度、锚杆长度、锚杆间距、衬砌厚度情况下的隧道进行数值模拟分析，拟合出多因素下关于支护效果的经验公式，并且发现断层倾角的影响最为明显，其次是衬砌厚度、锚杆间距、锚杆长度、埋深，而断层厚度的影响最小，其结果可以为普遍的工程问题提供参考。 本文研究断层破裂带的锚固机理，得出最佳优化方法和锚固优化的经验公式。以滇中引水为工程背景开展模型试验模拟现场开挖的真实情况，并分析锚固在断层破裂带的最佳锚固长度、倾角等参数以指导工程实际。进行多因素数值计算拟合得出不同支护参数下的关于支护效果的经验公式。
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