深埋隧道软弱围岩拱顶三维渐进性塌落机制上限分析

隧道拱顶塌方是一个渐进性破坏的过程，为研究深埋隧道软弱围岩拱顶渐进性塌落特征，基于极限分析上限定理和非线性Hoek-Brown破坏准则，建立了深埋隧道三维渐进性塌落机制，推导了考虑孔隙水压力作用下的塌方全过程塌落体曲面解析解，绘制了拱顶渐进性塌落形态三维曲面图，分析了相关参数单一变化时塌落体形态特征以及不同孔隙水压力作用下各参数对塌落体重力和隧道支护力的影响规律。结果表明：表征岩体特征的无量纲参数、重度、孔隙水压力和岩体抗拉强度对渐进性塌方塌落体形态、重力和支护力有显著影响；深埋隧道围岩物理力学参数在渐进性塌方过程中逐渐减弱，主要体现为岩体强度随变形的发展逐渐衰减直至一个残余值，围岩强度的衰减情况和残余强度大小对塌落体重力和隧道支护力有一定影响。理论计算得到的隧道拱顶塌落形态与实际隧道工程F3断层破碎带隧道拱顶塌方范围基本吻合，验证了理论计算结果对预测隧道拱顶渐进性塌方塌落体范围的适用性，研究成果可为软弱围岩深埋隧道施工设计及安全防护提供理论依据。