基于随机场理论的山岭隧道围岩开挖模拟与分析.pdfVIP

摘要

岩石的矿物种类、沉积情况、地层变化等内外因素共同导致参数在岩石参数空间

变异性，其在室内尺度的岩样到工程尺度的隧道围岩等岩体中普遍存在。本文基于随

机场理论使用离散元方法中对山岭隧道围岩进行了开挖模拟，对开挖后掌子面的塌落

机理和支护作用开展了研究。通过对三轴压缩试验中岩样破裂特征的准确模拟验证了

参数随机场离散元模型。基于参数随机场开展了山岭隧道围岩开挖模拟与数值分析，

研究了隧道埋深、隧道开挖方式和随机场相关距离等因素对掌子面塌落范围和临界支

护应力的影响。论文的主要研究内容和研究结果如下：

（1）本文基于参数随机场在离散元颗粒流软件中生成了岩石试样的离散元模型。

依据红砂岩应力-应变曲线，通过三轴压缩试验成功标定了红砂岩试样离散元模型。根

据K-L级数展开法离散自相关函数获得了相关矩阵，通过独立标准正态分布函数生成

随机分布模型，结合相关矩阵和随机分布模型得到了参数随机场。针对红砂岩试样研

究了随机场模型与离散元模型的结合方法，通过矩阵运算生成了红砂岩随机场离散元

模型。

（2）本文通过红砂岩在三轴压缩试验中破裂特征的准确模拟验证了参数随机场离

散元模型。根据Hoek-Brown理论解和Mohr-Coulomb理论解，将模型置于5MPa、10

MPa、15MPa三种围压下分别比较破裂角和角度变化趋势等破裂特征。统计并绘制50

个岩样随机场模型在三种围压下的破裂角均值曲线，研究模拟结果的准确性和稳定性，

验证红砂岩随机场模型破裂特征随围压变化的趋势。开展了红砂岩模型在均质模拟、

随机分布模拟和随机场模拟中破裂角的比较，其中随机场模型的岩样破裂角稳定所需

的模拟次数为20次，稳定性提升了60%左右，证明了随机场方法在模拟岩样破裂特征

方面的优越性。对不同相关距离的红砂岩随机场模型开展了三轴压缩试验破裂特征的

研究，比较了相关距离分别取值为岩样宽度1/10、1/15、1/20的三组岩样模型在不同围

压下破裂角的稳定性和准确性。相关距离取为宽度1/15时破裂角与Hoek-Brown理论

解和Mohr-Coulomb理论解的差值分别为0.88°和2.18°，证明对于红砂岩随机场模型

的最佳相关距离取值为岩样宽度的1/15。

（3）基于三轴压缩试验中岩样参数随机场的验证，将参数随机场应用到不同条件

下山岭隧道围岩模型的开挖模拟中。本文通过相似理论和随机场理论生成了山岭隧道

围岩随机场模型，以V级围岩力学性能标定围岩模型。对50m、60m两种埋深下的隧

道围岩随机场模型进行了开挖模拟，研究埋深变化对隧道围岩开挖模拟的影响。使用

全断面开挖、台阶开挖对隧道围岩随机场模型进行了开挖模拟，研究开挖方式对围岩

开挖的影响。通过颗粒位移云图与力链图分析开挖结果，结果表明埋深和开挖方式对

开挖结果的影响与实际一致，参数随机场对山岭隧道模型的开挖模拟相较于其它参数

模拟方法更符合实际。

（4）基于隧道围岩随机场模型的开挖模拟结果，分析了不同条件下隧道掌子面塌

落范围与支护应力的模拟结果。依据修正对数螺旋塌落理论得到隧道围岩随机场模型

的理论塌落范围，以楔形体支护应力理论为依据得到掌子面支护应力的理论值，根据

塌落后的力链图与掌子面活动墙单元获得围岩模型掌子面塌落范围与临界支护应力。

在50m和60m两种不同埋深的情况下开展了掌子面塌落范围与临界支护应力的研究，

对全断面开挖和台阶开挖两种不同开挖方式下的掌子面塌落范围和临界支护应力进行

了研究，塌落范围较于理论大小提高了58.8%，相较于均质模拟的模拟准确度提高了3

0%，临界支护应力的模拟准确度最高提升了81.8%，证明了不同埋深与开挖方式下的

围岩随机场模型掌子面塌落范围与支护应力均大于理论值，表明模拟结果可为实际隧

道施工提供安全可靠的指导。开展了相关距离取值为模型宽度1/10、1/15、1/20的掌子

面临界支护应力分析，研究了隧道围岩随机场模型在不同相关距离情况下的临界支护

应力的稳定性和准确性，其中最佳相关距离的取值为宽度的1/10。

关键词：随机场理论，离散元方法，三轴压缩试验，山岭隧道工程，掌子面开挖模拟。

Keywords:Randomfieldtheory,Discreteelementmethod,Triaxialcompressiontests,Moun

taintunnelengineering,Tunnelsurfaceexcavationsimula