【摘 要】
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珊瑚礁在岩石学上统称为珊瑚礁灰岩,属于海相生物成因的碳酸盐岩。中国的珊瑚礁灰岩广泛分布于南海,是我国在南海唯一的陆地国土类型。随着我国南海大规模工程设施建设相继开始,礁灰岩地层地下空间开发与利用已成为海洋工程发展和建设的重要依托。礁灰岩因其组成物质及发育环境的特殊性,在地下工程建设中其围岩稳定性与其它陆源岩石存在显著差异,在工程设施建设中不可避免的遇到深部珊瑚礁灰岩地层的大量力学问题。因此采用室内
【基金项目】
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岩土力学与工程国家重点实验室开放基金课题,岩溶隧道充填介质渗透失稳突水灾变细观机理研究,课题号:Z019009,Z020023；
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珊瑚礁在岩石学上统称为珊瑚礁灰岩,属于海相生物成因的碳酸盐岩。中国的珊瑚礁灰岩广泛分布于南海,是我国在南海唯一的陆地国土类型。随着我国南海大规模工程设施建设相继开始,礁灰岩地层地下空间开发与利用已成为海洋工程发展和建设的重要依托。礁灰岩因其组成物质及发育环境的特殊性,在地下工程建设中其围岩稳定性与其它陆源岩石存在显著差异,在工程设施建设中不可避免的遇到深部珊瑚礁灰岩地层的大量力学问题。因此采用室内模型试验和数值模拟相结合的方法开展珊瑚礁地下硐室开挖物理模型试验研究,是国家海洋战略重大需求,是礁灰岩区域地下空间资源开发与利用的关键技术之一,十分迫切和必要。本文通过物理模型试验及数值计算研究了珊瑚礁地下硐室开挖对硐室围岩稳定性的影响。论文的主要研究内容及成果如下:（1）根据相似理论,选用石英砂、重晶石粉、高强石膏、钙质砂及水泥作为原材料,通过正交配比试验和物理力学试验配置礁灰岩相似材料,并选用了石英12%:重晶石粉30%:钙质砂10%:石膏6.6%:水泥13.4%:水28%这一配比方案,来模拟单轴抗压强度约为10MPa的礁灰岩。（2）开展了珊瑚礁灰岩地下硐室三维地质力学模型开挖试验,对7种不同工况下的硐室开挖过程中的围岩位移与应力进行了分析研究。通过不同工况之间的对比分析,研究了硐室形状、支护方式、支护强度、礁灰岩强度及硐室跨度对珊瑚礁地下硐室开挖时围岩稳定性的影响规律。（3）根据硐室开挖过程中各监测点位移规律,将岩体位移变形分为三个阶段:①前方岩体发生超前位移变形;②己揭露围岩位移变形激增;③围岩稳定位移变形。根据硐室开挖过程中各监测点应力变化规律可以得到:监测面处围岩应力开始时处于相对稳定状态;随着开挖的进行,当逐渐靠近监测面时,各监测点处应力出现下降趋势,应力释放率逐渐增大;当开挖至监测断面位置时,围岩的应力出现陡降,应力释放率迅速增大,后续趋于稳定,发生应力释放的各监测点处的应力变化呈“之”字型的走势。但在马蹄形硐室拱脚处,随着硐室开挖,拱底隆起,拱腰向内变形,导致洞周拱脚处围岩受到挤压,在此处压应力表现为逐渐增大的过程。（4）针对地下硐室的埋深和礁灰岩强度对硐室开挖时的围岩稳定性的影响规律进行了数值模拟,通过对监测点处围岩的位移与应力变化规律进行分析,得到了埋深和礁灰岩强度对硐室开挖时的围岩稳定性的影响规律。（5）采用数值计算的方法,以工况1与工况5为原型工况,进行数值模拟,模拟工况1与工况5情况下马蹄形硐室开挖过程中的位移与应力变化规律,并与物理模型试验结果进行对比分析。模型试验各位置围岩位移变化量与数值模拟结果平均误差约为21%;围岩应力变化量与数值模拟结果平均误差约为6%。本研究结果对于礁灰岩地层地下硐室工程开挖具有一定的借鉴意义与工程应用价值。
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