岩土力学 ›› 2019, Vol. 40 ›› Issue (10): 4065-4083.doi: 10.16285/j.rsm.2018.1032

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

深部巷道软弱围岩破裂碎胀过程及锚喷-注浆 加固FDEM数值模拟

刘泉声1，邓鹏海1，毕 晨2，李伟伟2，刘 军2   

  1. 1. 武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072；2. 中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710000
  • 收稿日期:2018-06-14 出版日期:2019-10-11 发布日期:2019-10-20
  • 通讯作者: 邓鹏海，男，1990年生，博士研究生，主要从事岩土工程FDEM数值模拟方面的研究。E-mail: 979033605@qq.com E-mail: liuqs@whu.edu.cn
  • 作者简介:刘泉声，男，1962年生，博士，研究员，博士生导师，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。
  • 基金资助:
    国家重点基础研究发展计划项目(973计划) (No. 2014CB046904，No. 2015CB058102)

FDEM numerical simulation of the fracture and extraction process of soft surrounding rock mass and its rockbolt-shotcrete-grouting reinforcement methods in the deep tunnel

LIU Quan-sheng1, DENG Peng-hai1, BI Chen2, LI Wei-wei2, LIU Jun2   

  1. 1. School of Civil Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China; 2. Sinohydro Bureau 3 Co., Ltd., Xi’an, Shanxi 710000, China
  • Received:2018-06-14 Online:2019-10-11 Published:2019-10-20
  • Supported by:
    This work was supported by the National Program on Key Basic Research Project of China (973 Program) (2014CB046904, 2015CB058102).

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摘要： 针对深部巷道软弱围岩的破裂碎胀大变形预测及围岩控制存在的难题，采用了有限元与离散元耦合程序（FDEM）数值模拟方法对上述问题进行了研究。首先阐述了FDEM的基本原理；然后采用单轴压缩、巴西劈裂和三轴压缩模拟试验与室内试验对比，进行了输入参数的标定；最后对深部高地应力条件下的巷道开挖后软弱围岩破裂碎胀大变形进行了模拟，并基于实体建模的方法采用了锚喷（锚杆+喷浆）-注浆对巷道围岩加固进行了模拟。研究结果表明：巷道的大变形主要是由于围岩的破裂、碎胀造成的，浅部以拉伸破坏为主，向深部过渡到剪切破坏；剪切破坏角与单轴压缩试验结果一致，为58°；裸巷的裂纹最大扩展范围为10.6 m、表面最大位移收敛量20.7 cm。采用锚喷和锚喷-注浆加固后能有效地控制围岩的变形，抑制了裂纹的扩展范围（减小到5.8 m、5.1 m），且围岩表面收敛量大幅减小（5.1 cm、4.2 cm）。

关键词: FDEM数值模拟, 深部巷道, 碎胀大变形, 锚喷支护, 注浆加固

Abstract: The combined finite-discrete element method (FDEM) numerical simulation method was used to study the prediction of the large deformation and its control of the weak surrounding rock in the deep tunnel under high in-situ stress condition. Firstly, the basic principle of the FDEM was introduced. Then the uniaxial compression, Brazilian disc and triaxial compression simulation tests were compared with laboratory experiments to calibrate the input parameters. Finally, the large deformation of the surrounding rock was simulated after deep tunnel excavation under high in-situ stress conditions; based on the solid modelling method, the reinforcement of the tunnel by using the method of rockbolt-shotcrete-grouting was simulated. The results show that the large deformation of the tunnel is primarily caused by the rupture and fragmentation of the surrounding rock. The shallow part is mainly a tensile failure, and the deep part is a shear failure. The shear failure angle is consistent with that of the uniaxial compression test result, 58°, the maximum crack propagation depth is 10.6 m, and the maximum surface convergence is 20.7 cm. The reinforcement method of rockbolt-shotcrete and rockbolt-shotcrete-grouting can effectively control the deformation of the surrounding rock, inhibiting the crack extension range (reduced to 5.8 m, 5.1 m). Besides, the convergence of the surrounding rock surface is greatly reduced (5.1 cm, 4.2 cm).

Key words: FDEM numerical simulation, deep tunnel, fracture and extraction large deformation；rockbolt-shotcrete support, grouting reinforcement

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