高地应力区大型洞室锚索时效受力特征及长期承载风险分析

深层预应力锚索支护是大型地下洞室围岩稳定控制的主要工程措施。针对高应力区岩体开挖卸荷稳定与锚固支护系统长期承载安全问题,通过对系统锚索安全长期监测成果深入分析,研究锦屏一级水电站地下厂房系统锚索开挖期和开挖完成后5年时间的受力特征、时空变化规律,分析锚索预应力随时间演化的时效特征,探讨锚索结构受力影响因素和高应力下长期承载风险,同时辅以数值模拟等手段对锚固系统长期安全性进行综合评价。研究结果表明,与常规洞室表现不同,该地下洞室大部分深层锚索超过设计锁定值,锚索系统负载高,持续增长时间长,时效性十分显著,开挖全部完成后2年内才逐步趋于收敛,2～5年基本稳定;锚索长期承载能力影响因素主要有岩体蠕变、锚索初始张拉应力、锚索施工与应力不均匀等;锚索系统长期承载安全是有保障的。     

地下洞室预应力锚索锚固机制及受力特性分析

采用隐式锚索单元模拟地下洞室预应力锚索,探讨了索体对岩体单元的等效附加刚度贡献。针对预应力锚索的受力过程,分别分析了预拉力和围岩变形作用下锚索锚固段的受力机制。基于两种作用下锚固段内力的叠加,提出了一种考虑锚固界面剪切滑移的预应力锚索受力分析方法。结合三维非线性有限元,给出了预应力锚索受力的一般求解步骤,然后将此锚索算法应用于乌东德水电站左岸地下厂房洞室群分期开挖。结果表明,锚索支护能够有效加固岩体,限制破坏区的发展;锚固段轴力和剪应力均在始端达到最大,沿深度方向逐渐衰减。计算得到的锚固力变化过程与实测值基本吻合,验证了该算法的合理性。     

乌东德左岸地下厂房洞室群施工期围岩变形特征及反馈分析

对陡倾层状岩层中乌东德水电站左岸地下厂房洞室群施工期围岩变形特征和支护体系受力进行分析,以主厂房为重点,采用现场原位监测、地质调查、数值仿真反馈等多手段研究岩体结构及岩性差异对巨型洞室围岩变形及松弛影响,分析变形随开挖时空变化规律、浅层锚杆与深层锚索对岩体结构控制效应。研究结果表明,地下厂房围岩位移为0～40 mm,位移较大部位出现在主厂房上游边墙中部、B类角砾岩区域以及"小夹角"部位;开挖揭露量级较大部位主要受岩体结构面及角砾岩岩性控制,结构面对施工爆破开挖敏感,施工期洞室最大位移达到65 mm,深部结构面张开位移是该部位主要位移;锚索(杆)支护起到了很好的控制作用。位移主要发生在开挖施工期,且随着开挖过程表现出台阶型特征,时效性特征不明显,洞室群总体稳定较好,支护系统处于正常工作状态。     

预应力锚索受力特性与初始张拉吨位优化分析

基于预应力锚索作用和锚固界面力学传递机制,建立了锚固界面应力计算模型,并提出了一种可以考虑锚固界面剪切滑移的锚索应力计算方法;基于锚索预应力损失机制,对造成预应力损失的各种因素进行了分析,并给出了各种因素影响下的预应力损失计算方法;基于锚索应力求解的基本理论,同时考虑整个施工过程中的预应力损失量,将洞室群开挖过程中锚索应力的变化量作为锚索初始张拉的安全余量,提出了一种预应力锚索初始张拉吨位计算方法。并据此编制有限元计算程序,以某水电站地下厂房洞室群为工程实例,验证了该方法的合理性。     

钢锚墩在锦屏一级水电站地下厂房的运用

锦屏一级水电站地下厂房地应力高,分层开挖完成后随着地应力的释放及重新分布,局部岩体出现压碎、层状劈裂破坏,围岩松弛深度及变位不断加深、加大。为了尽快实现锚索锚固支护效应以确保地下厂房洞室群围岩稳定和工程安全,施工时将部分原设计现浇混凝土锚墩调整为钢锚墩进行施工,取得了较好的质量、进度效果。主要介绍了钢锚墩的施工工艺、质量控制要点及其与混凝土锚墩的工效对比分析。     

锦屏一级电站尾水调压室大角度上仰孔锚索施工

锦屏一级水电站地下厂房尾水调压室顶拱发育有f14、f18断层及煌斑岩脉,开挖后出露断层及其影响带岩体破碎,风化强烈,围岩不稳定,为了洞室稳定及施工安全,设计采用预应力锚索进行加强支护。介绍了尾水调压室大角度上仰孔锚索的施工方法。     

大型地下洞室对穿预应力锚索失效形式与耦合模型

以锦屏二级水电站地下厂房与主变室之间中隔墙的多根对穿预应力锚索失效实例为背景,首先总结对穿预应力锚索失效的多种现场表现形式,采用现场取证和室内试验再现的方式论证锚索钢绞线断裂的拉破坏模式。将对穿锚索视为弹脆性体,被锚固围岩视为黏弹性体,提出描述对穿预应力锚索与被锚固围岩之间相互作用关系的锚索-围岩耦合元件模型,并据此分别阐明在洞室开挖卸荷阶段和围岩时效变形阶段中预应力锚索的力学响应机制和荷载变化规律。最后,在现场调研、室内试验和机制分析基础上,综合分析导致锦屏二级水电站地下厂房与主变室之间对穿锚索失效的主要原因,并探讨对穿预应力锚索与被锚固围岩之间对立统一的矛盾关系以及大型洞室群预应力锚索支护时机问题。     

某水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析

采用有限元方法反演某水电站地下厂房厂区初始地应力场。采用Zienkiewicz-Pande的双曲线屈服准则,对某水电站地下厂房洞室群的开挖过程进行了三维弹塑性有限元模拟。为反映锚固支护对围岩的加固作用和评价地下厂房洞室群支护参数的合理性,提出了可以考虑抗剪作用的隐式锚杆单元和可以考虑预应力效果隐式锚索单元。计算结果表明,该洞室群在洞室布局、开挖顺序和支护参数等方面是合理的,各主要洞室群的稳定性总体较好。     

水电站大型地下洞室长期稳定性数值分析

围岩的流变特性是影响地下洞室变形及长期稳定的重要因素。在长期荷载作用下岩体会发生流变现象,特别软弱夹层在较高应力作用下其流变特性更为显著。以某水电站大型地下洞室为例,针对该地下洞室附近围岩存在着软弱夹层,且有些软弱夹层与开挖的洞室相互交汇,基于大型岩土工程分析软件FLAC3D,采用黏弹塑性流变本构模型（Cvisc）,模拟了地下洞室围岩的流变力学行为;根据主厂房顶拱位移变化率规律确定出了开挖洞室2次支护的时间,对比分析了瞬时弹塑性条件下与考虑流变特性条件下洞室开挖后围岩的位移变形、应力场及塑性区的分布。数值模拟结果表明,由于着软弱夹层的影响,洞室围岩发生较大的变形,特别是在开挖洞室与软弱夹层的交汇处围岩随着时间的长期变形量会更大,这对洞室的稳定性有着一定的影响;对于水电站地下洞室的长期稳定性分析,充分考虑岩体流变效应是非常重要和必要的。     

高地应力地下厂房预应力锚索预紧系数

为了有效控制围岩大变形,避免围岩破坏,常常对围岩变形突出的高边墙、洞室交叉口区域采用预应力锚索加固。目前,对于具有时效变形特征的高地应力、低强度应力比的地下厂房锚索预紧力相关研究尚较少报道。以锦屏一级水电站地下厂房为代表的高地应力地下厂房,在围岩开挖过程中表现出显著的时效变形特征,从而导致锚索、锚杆内力持续增加,甚至内力超出强度极限而破坏。为合理设置锚索预紧力,基于围岩时效变形特征,提出了围岩时效释放荷载计算方法,并推导了预应力锚索预紧系数计算公式。该公式可以解释不同地应力环境以及不同支护强度、不同施锚时间对锚索预紧力的影响。与锦屏一级地下厂房锚索预紧系数实际采用值对比分析可见,所提出的预紧系数公式较为合理,具有工程实践指导作用。     

龙滩地下洞室群围岩稳定性分析

大型地下洞室群的开挖和支护结构与围岩的稳定性密切相关,龙滩地下洞室群是布置在陡倾角层状结构岩体的巨型地下结构。应用FLAC3D方法,研究龙滩地下洞室群在开挖和支护过程中围岩的变形特征以及支护结构的受力特点,并将位移计算结果和现场监测结果进行比较,结果表明：数值计算的结果与监测结果规律基本一致,但数值计算位移的量值比监测结果略大。由此可知,采用本计算方法模拟急倾斜岩体内开挖大型地下洞室群具有较强的可靠性。     

卸荷岩体锚固预应力损失的影响因素分析

讨论了影响卸荷岩体锚固预应力变化的岩体应力状态、岩体性质与流变、锚固时间、钢材松弛、施工质量、锚索结构与环境变化等因素,得出了不同因素对卸荷岩体锚固预应力损失的影响效应,并分析了各种影响因素与预应力损失的耦合作用,得出了相关的结论。     

深部高应力软岩巷道耦合支护效应研究及应用

巷道要经历开挖前稳定、开挖扰动、支护稳定或再破坏的演化过程,巷道稳定状态受原岩应力场-开挖扰动应力场-支护应力场相互作用的影响。采用FLAC~(3D)分析了不同预紧力与间排距条件下锚杆、锚索产生的围岩支护应力场的分布特征,定义了围岩应力扩大系数k来表征围岩应力的扩散效果,揭示了锚杆、锚索预紧力耦合支护效应。针对朱集西矿深部巷道特征与地质条件,提出了锚网索喷+U型钢支架+注浆+底板锚注分步联合支护技术方案,开展了三维相似材料模型试验,验证了该支护技术方案的合理性与可行性,揭示了深部高应力软岩巷道围岩变形破坏与支护结构受力演化规律,并成功应用于工程实践,解决了深部高应力软岩巷道支护难题。监测结果表明,该联合支护方案有效地控制了深部高应力软岩巷道围岩大变形与底臌,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

深部高应力软岩巷道耦合支护效应研究及应用EI北大核心CSCD

巷道要经历开挖前稳定、开挖扰动、支护稳定或再破坏的演化过程,巷道稳定状态受原岩应力场-开挖扰动应力场-支护应力场相互作用的影响。采用FLAC^(3D)分析了不同预紧力与间排距条件下锚杆、锚索产生的围岩支护应力场的分布特征,定义了围岩应力扩大系数k来表征围岩应力的扩散效果,揭示了锚杆、锚索预紧力耦合支护效应。针对朱集西矿深部巷道特征与地质条件,提出了锚网索喷+U型钢支架+注浆+底板锚注分步联合支护技术方案,开展了三维相似材料模型试验,验证了该支护技术方案的合理性与可行性,揭示了深部高应力软岩巷道围岩变形破坏与支护结构受力演化规律,并成功应用于工程实践,解决了深部高应力软岩巷道支护难题。监测结果表明,该联合支护方案有效地控制了深部高应力软岩巷道围岩大变形与底臌,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

压力分散型锚索与拉力集中型锚索抗振性能研究

京石客运专线石家庄明挖隧道工程与既有京广铁路线近距离并行长达5 km,为了摸清列车动载对桩锚支护结构的影响,以及不同锚固形式对动载的响应特点,特在该隧道设立压力分散型锚索试验段,与现场普遍采用的拉力集中型锚索锚固段相对照,进行长期应力、应变量测。在此基础上,对实测数据进行了系统的整理和分析,对比了压力分散型锚索与拉力集中型锚索在应对动载方面的不同特性。研究表明,压力分散型锚索的抗振性能是拉力集中型锚索的5倍,而且具有应力调整时间短、长期抗振性能稳定,预应力损失幅度小、比例低的优点。     

拉西瓦水电站地下厂房三维高地应力反演分析

拉西瓦水电站厂房地处峡谷山高坡陡,河谷狭窄,区域地应力场较高,局部存在构造破碎带,同时开挖尺寸规模巨大,围岩主要为脆硬的花岗岩,对洞室稳定极为不利。为了评判开挖后围岩的稳定及支护设计的长期安全,需要对围岩的岩体力学参数和初始应力场进行反演确定。首先,利用现场初始地应力的实测值反演大范围内的岩体构造地应力场分布,然后,利用洞室分层开挖扰动下,厂房上部关键点实测位移检验并修正反分析地应力结果,得到了较为准确的三维地应力分布,为后续地下厂房开挖围岩的稳定性及支护设计和长期安全的评价与预测,提供了基础数据,有效地指导了厂房开挖施工。厂房开挖完成后的围岩位移的实际监测结果与采用反演地应力场与岩体参数得到的厂房围岩位移值的一致性表明,地应力场反演结果与实际地应力值一致。     

江坪河水电站进水口顺层岩体边坡支护结构受力特性及稳定性研究

江坪河水电站进水口边坡断层、层间错动以及泥化夹层等软弱结构分布众多,构成了顺坡向的潜在滑动组合体。为确保边坡的安全稳定性,采用了预应力锚索和大截面抗滑桩对边坡进行加固处理。边坡施工过程中,部分预应力锚索轴力监测值出现超过设计吨位的现象。为分析边坡锚索和抗滑桩支护系统的可靠性,采用三维数值分析方法对锚索和抗滑桩等支护结构的受力性态进行了系统研究。三维数值分析结果表明顺层岩体结构边坡中支护结构部件空间受力特性存在较大的差异性:局部预应力锚索轴力长期超限失效可能引起支护系统其它构件内力增加,危及边坡稳定性;抗滑桩的内力分布与岩体层间错动和泥化夹层的空间展布密切相关。受岩体结构面影响,抗滑桩内力分布类似于连续梁受力分布特点。支护结构的空间受力特点表明支护系统设计时应该考虑边坡及支护结构的整体空间效应影响,以保证支护结构自身的安全性。     

西江特大桥岩锚锚碇的承载特性研究

针对西江特大桥广州岸岩锚锚碇系统的承载稳定性问题,采用工程地质勘察、室内及现场原位岩石力学特性试验、钻孔摄像及声波测试等手段,获取承载边坡的岩体地质力学特性,并建立边坡地质力学模型,同时进行现场拉锚试验验证预应力锚索设计的可靠性。采用三维数值模拟方法研究锚碇系统在施加预应力和承担外荷载两种情况下,边坡岩体的稳定性和锚碇群锚中不同位置的预应力锚索锚固力的分布特征。研究表明,在桥梁施工荷载的拉拔作用下,广州岸锚碇边坡整体稳定,坡表变形为毫米级;锚索锚固力呈不均匀分布形态,主要集中在锚固段前2 m范围内,最大值出现在锚固段端头;锚碇群锚的锚固力应力集中程度由大到小依次是角锚、边锚、中间锚。超载试验表明,整个锚碇系统的极限抗拔力不小于8倍设计荷载。锚索现场监测数值显示,锚碇承载期间锚索索力基本稳定,中间锚的索力小于角锚。研究方法及成果可供类似的桥梁及抗倾拔工程中的岩锚锚碇设计及安全评价借鉴。     

地下隧洞开挖和支护的三维数值分析计算

根据地下工程锚固支护原理,采用隐含锚杆柱单元的三维有限元和混凝土喷锚支护的三维数值计算方法,对复杂的地下泄洪隧洞的开挖和支护进行了分析计算。该方法不仅能够有效地反映锚杆的长度、密度、倾角对洞室开挖的影响,而且能够较好地模拟钢拱架和锚杆的时间施加效应。由于隐含锚杆柱单元和喷层单元是隐含在岩体单元中的,所以锚杆和喷层单元不受岩体单元划分的影响,能够有效地模拟各种支护方案,加快计算速度,合理反映锚固支护所作用的位置和时间影响。通过对构皮滩泄洪洞施工开挖和锚固支护的模拟计算,论证了施工开挖的稳定性和锚杆、喷层、钢拱架的支护作用,提出了洞室结构的加固措施,为工程施工开挖提供了有效的设计依据。