高地应力条件下锦屏一级主厂房围岩松弛深度形成规律和支护时机研究

近年来我国西部已建成发电或正在建设的一批大型、特大型水电工程,其地下洞室群多处于高山峡谷地区,地质条件复杂、地应力较高。受高地应力影响,施工期洞室群围岩易出现不同程度的变形破坏,并常常导致超常规深度的围岩松弛。本文结合锦屏一级水电站主厂房围岩松弛长期物探检测成果,系统分析了围岩松弛深度的形成、发展和演化趋势,再采用数值分析手段,通过围岩位移、塑性区发展趋势来研究最佳支护时机,研究表明:高地应力地区厂房轴线宜尽量与最大主应力σ₁方向平行,能有效减小时效变形导致的不同部位不同程度的围岩松弛;洞室分层开挖时,围岩松弛深度的80%在本层开挖后间隔2～3层时形成;相比开挖后滞后支护,及时支护围岩位移量、塑性区明显较小,因此及时支护为最佳支护时机。研究成果对高地应力条件下大型地下洞室轴线选择、支护设计、支护时机选择具有参考意义。     

地下洞室开挖爆破围岩松动圈的数值分析计算

根据数值计算提出了在地下洞室开挖爆破中,确定围岩松动圈的方法。给出了地下洞室开挖爆破的三维弹塑性损伤有限元计算方法。该方法论述了爆破荷载、重力荷载和开挖荷载的计算、施加以及迭代的方法,可以合理反应爆破对围岩稳定的影响和锚固支护施加的效果;结合岩石松动圈的实测方法,推导了判定围岩开始松动的损伤系数阈值公式,可以结合数值计算得到的洞周围岩损伤系数分布,确定在开挖爆破作用下围岩松动圈的范围。对实际工程的分析计算表明,根据数值计算判定的围岩松动范围与实测松动范围的规律基本一致,量值吻合较好,其结果为地下洞室开挖爆破的围岩松动圈的确定提供了有效的方法。     

高地应力条件下大型地下厂房松动区变化规律及参数反演

松动区是控制地下洞室围岩变形及失稳的重要因素。以锦屏一级水电站为例,结合声波测试及多点位移计监测成果,对高地应力和低强度应力比条件下大型地下厂房围岩松动区的分布及变化特征进行分析,并采用BP网络和遗传算法对围岩参数进行反演。研究表明,声波测试的围岩松弛深度与多点位移计监测得到的围岩主要变形深度具有一致性,围岩松弛深度变化趋势与岩壁位移变化也存在对应关系,两者结合可以对围岩松动区的变化规律进行连续的分析。高地应力和低强度应力比条件下的松动区深度远大于一般应力条件,由于围岩应力状态调整、岩体破坏所导致的卸荷松弛成为围岩松弛的主要因素。开挖过程中,由于围岩应力状态的逐步调整,导致围岩的破坏和松弛的渐进发展,其中松弛深度在水平向的扩展较为明显。反演得到的松动区岩体变形模量及黏聚力较未松动岩体有明显降低,而摩擦角降低较少。因此,对松动区岩体进行灌浆加固,将有助于提高松动区岩体的变形模量和粘聚力,从而增强围岩的稳定性。     

洞室跨度对围岩分类影响探讨

随着大跨度地下工程日益增多,跨度对围岩分类或岩体质量分级的影响越来越受到人们的重视。通过对节理岩体中洞室支护代价、塑性松动区半径和岩体宏观力学参数尺寸效应的分析,根据洞室跨度增加导致围岩稳定程度降低的情况,强调重视围岩分类中洞室跨度因素的影响,并建议通过研究岩体强度等物理力学指标的尺寸效应,在围岩分类中科学地考虑洞室跨度的影响。     

融化作用下多年冻土隧道围岩的弹塑性解及其与支护的相互作用分析

多年冻土隧道修建中,施工活动产生的热量将导致多年冻土围岩中出现一定范围的融化圈,进而影响支护的受力以及隧道洞室的收敛。将围岩分为融化区和未融化区,将融化区围岩视为弹塑性介质,未融化区围岩视为弹性介质,建立并求解融化作用下多年冻土隧道围岩弹塑性模型,对不同的围岩条件及支护工况下多年冻土段隧道施工中围岩与支护的相互作用进行分析。结果表明,该模型表现了融化作用下多年冻土围岩与支护相互作用的特征;在较差围岩中,喷射混凝土支护的强度是控制融化作用下多年冻土围岩稳定以及隧道周边位移量的关键因素。在多年冻土隧道施工中,可采用本模型确定施工中容许的最大围岩融化深度,施工中应采取有效措施避免围岩中出现过大的融化圈。     

论低地应力区地下洞室围岩稳定性合理支护时间的确定

以西北地区某市水利工程为例,论述了低地应力状态下洞室开挖后围岩产生的3种破坏类型,并依据洞室开挖后围岩变形与时间之间的关系,讨论了低地应力区洞室开挖后围岩合理支护时间的确定问题.这一研究成果对于确保地下工程稳定性措施的及时实施,具有重要的理论价值和实际工程意义.     

喷锚支护在水工隧洞施工中的应用浅说

简要地介绍了对水工地下洞室施工中对围岩不稳定体,即碎裂岩体、松动岩体、软弱结构面、楔形体结构面等围岩喷锚支护结构的作用,喷锚支护结构的使用。     

深部开采圆形巷道围岩破损区与支护压力的确定

应用经典塑性力学理论确定的圆形巷道围岩弹塑性应力场存在一些问题,这影响深部圆形巷道的稳定性评价及支护设计的合理性。应用塑性力学求解新体系确定的圆形巷道围岩弹塑性应力场准确解,进行了各向同性均质地层中圆形巷道破损区、地层残余强度与支护压力关系方面的研究,取得了如下成果:(1)破损区随开采深度的增加而增大,它们基本呈线性关系。(2)建立了支护压力与巷道埋深、围岩强度、围岩破坏后残余强度、围岩泊松比和重度之间的关系。研究成果可为支护设计提供重要参考。     

不同分布距离的软弱夹层对洞室稳定性的影响研究

软弱夹层等不良结构面对地下洞室的围岩稳定与支护结构安全起着决定性的作用,本文研究了顶部分布有软弱夹层隧洞的围岩稳定性与支护结构安全性,重点研究了夹层分布距离分别为0.2B,0.5B,1.0B（B为洞跨）3种情况,总结了夹层分布距离与洞周关键点位移、围岩应力、围岩塑性区的关系,分析了不同的分布距离下喷层的受力状况,并进一步探讨了常见围岩类型(II类、III类、IV类)中不同分布距离的软弱夹层对地下洞室围岩稳定性的影响,得出了不同分布距离软弱夹层对围岩变形、应力、支护结构受力影响的一些量化成果。研究成果可望对地下洞室选线（址）、支护系统优化以及施工有借鉴意义与指导作用。     

大松动圈围岩锚网索联合支护参数确定方法探讨

对大松动圈围岩巷道,单一锚杆支护难以实现对整个破裂区围岩的锚固控制,采用锚网索联合支护时,应考虑锚杆支护对联合支护设计的作用。通过分析大松动圈围岩锚杆锚固支护机制,提出量化锚杆支护作用的锚固承载系数,形成锚网索联合支护参数量化计算方法。研究结果表明：锚杆锚固支护后将大松动圈围岩分为浅层锚固区和深层破裂区,浅层锚固区具有一定承载能力,可视作锚索的等效托盘;在锚网索联合支护中,浅层锚固区承载结构稳定的条件是锚固结构承载力大于环向轴力且能够有效控制破裂区围岩;锚固承载系数大小主要取决于浅层锚固区与破裂区和锚杆预紧力与设计锚固力的关系,对于大松动圈围岩其取值范围为0.45～0.75。经现场试验可知,巷道顶底板移近量为273 mm,两帮移近量为393 mm,表面位移曲线趋于平稳,采用该方法得到的锚网索支护参数有效保证了巷道的正常使用。     

海底隧道最小岩石覆盖厚度的位移收敛法

关于岩体稳定评判准则至今尚未达到成熟的阶段,从稳定的定义、量化的判断到分析的理论、准则和方法等一系列基本问题尚未形成明确的系统。目前比较常用的方法就是利用塑性区来判断围岩的稳定范围。但塑性区主要用来确定围岩的破坏范围,对于确定海底隧道的最小覆盖层厚度有些过于危险,因为一般海底隧道主要修建于硬岩中,其开挖引起的塑性区很小。因此,有必要建立确定海底隧道最小岩石覆盖厚的方法。应用适合模拟岩土大变形的数值分析方法FLAC3D,运用围岩变形量或变形率判据,建立确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的位移收敛判据,并将该判据用于确定某海底隧道的最小岩石覆盖厚度,以说明该方法用于确定海底隧道最小岩石覆盖厚度的正确性和有效性。     

深埋隧道层状围岩变形特征分析

层状岩体在地下工程中经常遇到的,它具有明显的各向异性力学性质。结合共和隧道现场监测和数值模拟相结合的方法对层状岩体的破坏特征进行了分析,研究结果表明：围岩的变形位移、破坏区都主要集中隧道拱顶右侧,即靠河侧大于靠山侧。隧道围岩变形破坏区不在最大主应力方向上,而是在岩体层理垂直方向。层状岩体中洞室变形破坏特征除了因地形产生的偏压影响外,更重要的是受地层结构特征的影响,即与层状岩体的力学性质极大相关,其结果可为指导隧道的施工和设计提供有效依据。     

深埋公路隧道溶洞处置效果分析与隧道结构响应规律研究

卡罗Ⅱ号隧道为贵州省平塘至罗甸高速公路控制工程,施工时揭示溶洞发育于右幅隧道的拱底部位,左右线隧道中部岩柱薄易于坍塌,特提出洞渣回填以及桥梁跨越两种处置手段并在技术及经济方面进行比选,综合确定洞渣回填为该溶洞处理方式。为验证回填方案的合理性,以有限元软件Midas GTS建立溶洞回填前后隧道开挖施工模型,分析出溶洞处理前后围岩位移、锚杆轴力以及围岩塑性区变化规律,同时监测典型断面的累计拱顶沉降、收敛变形情况,结果表明:溶洞回填后,围岩位移、锚杆轴力峰值有较大降低,中部岩柱以及下部溶腔塑性区发展由于回填得以控制,溶洞回填可有效抑制围岩变形,施工期间也并未出现突泥、涌水灾害事故,其回填方案有较高的可行性。      

深部破碎软岩巷道围岩稳定性分析及控制

针对深部破碎软岩巷道围岩稳定性控制难题,以邢东矿-980车场巷道为研究对象,采用现场调研、数值模拟、井下试验及现场观测等方法分析围岩变形破坏特征,揭示其破坏机制,针对性地提出了以高强锚杆密集支护、新型喷层结构护表、滞后注浆加固为主体的多层次锚喷网注联合支护系统,详细阐明了具体支护措施的围岩控制机制,并用数值方法分析了锚杆间距、喷层厚度对于围岩应力场和位移场的影响规律。研究表明：（1）随着锚杆间距减小（0.7 m→0.3 m）,锚杆承压拱和喷层结构的承载能力呈幂函数增长趋势,锚固区围岩压应力呈线性增长趋势,围岩变形量明显降低;（2）随着喷层厚度增大,喷层结构承载能力近似线性增长,锚固区围岩压应力亦呈增长趋势,各部位围岩位移量显著降低;（3）当喷层厚度达到200 mm时,非锚固区内围岩大部分处于压应力状态,拉应力区大幅减少。基于上述研究,结合现场地质、生产条件确定试验巷道围岩支护方案,并进行现场应用。工程实践表明,多层次锚喷网注联合支护技术可有效控制深井破碎软岩巷道围岩大变形,实现深井巷道围岩的稳定性控制。     

隧道围岩强度不均地段塌方成因及其处理方法

由于地质构造作用以及风化作用,工程场地岩体中多存在围岩强度不均地段.在隧道施工过程中就经常遇到软硬岩石交汇而形成的地质条件复杂地段;给隧道的施工带来了很多不利情况,并且也是导致隧道塌方的原因之一.2006年1月,承德韩郭线二级公路工程,喇嘛梁隧道软硬岩石交汇地段由于地下水作用导致围岩风化程度不均,产生软弱结构面并造成了大面积塌方.基于现场的追踪调查与考察,本文详细描述了利用拱顶架设工字钢梁并配合超前注浆小导管的支护方法来处理这类围岩.     

砂浆锚杆加固效果的等效数值模拟方法研究

针对常规数值模拟计算无法有效地反映锚杆对围岩的加固效果的缺陷,结合岩体变形在锚杆中产生的支护压力计算公式,提出了一种简单、有效的砂浆锚杆加固等效数值模拟方法。该方法首先在有锚杆支护隧道开挖的计算结果中提取每根锚杆的最大轴力;然后根据该轴力值按锚杆支护压力公式计算其所产生的等效均布力;最后将该均布力施加到相同计算工况下无锚杆支护的围岩表面进行模拟计算。将该方法应用于锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室及乌东德水电站4#导流洞0+ 550 m断面的开挖与支护计算,通过与现场实测数据对比,结果表明,该方法能较好地模拟锚杆支护对围岩的加固效果,其模拟结果可为隧洞的施工与支护设计提供可靠的参考依据。     

主应力对巷道交岔点围岩稳定性影响研究

为研究主应力对交岔点围岩稳定性的影响,以某矿为工程背景,建立5组交岔点数值计算模型,研究了交岔点开挖前的扰动应力场偏转规律,并引入点安全系数法研究了主应力和交岔角度对交岔点围岩位移场、扰动破碎区的影响规律。研究结果表明：在交岔点开挖之前,交岔点附近围岩的主应力方向发生偏转,偏转后的应力场类型由σh型变为σv型,交岔点开挖过程中围岩受σv型应力场影响;交岔角（α≤90°）越大,交岔点越稳定;交岔角度相同时,新掘巷道轴向较靠近最大水平主应力方向的交岔点更稳定。交岔点现场实测数据验证了研究结果。     

泥化弱胶结软岩地层中矩形巷道的变形破坏过程分析

在西部地区,一定数量的矿区处于泥化弱胶结软岩地层,此类软岩胶结性差、强度低、遇水泥化。矩形是采区巷道的常用型式,但其断面受力不均、稳定性差。在上述软岩地层中的矩形巷道承载力低、变形量大、变形持续时间长,给煤矿的安全生产带来极大困难。以内蒙古新上海一号煤矿皮带顺槽矩形巷道为背景,运用FLAC3D软件中的Cvisc黏弹塑性模型,对矩形巷道的变形破坏进行了数值模拟,并将模拟结果与现场监测结果对比分析。结果表明:巷道开挖支护后,受断面形状影响,矩形巷道四角出现压应力集中和顶板受拉区,巷道顶板下沉量大,底板底臌严重,两帮向巷道挤出;受围岩岩性影响,围岩进入塑性的时间快短、范围大,塑性区超出了支护体的作用范围,造成锚杆(索)的锚固效果难以完全发挥,围岩出现整体滑动的现象;巷道变形呈现出流变变形的特性,变形量随时间持续增加,持续的蠕变变形超出了支护体的可控范围,最终引起巷道的失稳破坏。     

层状岩体围岩变形破坏特征及稳定性评价

层状岩体是地下工程中经常遇到的一种岩体,具有明显的各向异性力学性质,其变形破坏特征与均值岩体相比表现得更为复杂。根据共和隧道地质调查和地应力量测的资料分析,隧道围岩偏压现象与地应力和岩性有极大的相关性。通过对隧道初期支护开裂段围岩位移收敛、围岩接触压力、锚杆轴向力监测和松动圈探测,其结果表明,围岩变形及应力和松动圈都在右拱肩处最大,即靠河侧大于靠山侧,与初始地应力的最大主应力方向不一致。因此,通过现场监测提前了解围岩-支护结构的变形及受力状况,及时修改了支护参数,避免了隧道垮塌等恶性事件的发生,从而有效指导了隧道施工和设计。     

松散堆积体隧道围岩变形破坏细观特征研究

隧道穿越复杂松散堆积体地层时,如何确保隧道施工过程的安全是工程人员普遍关心的课题。依托云南省罗打拉隧道,基于Monte Carlo随机原理,结合数字图像处理技术,建立了考虑接触面单元及抗拉强度的堆积体地层隧道开挖细观结构模型,并探讨了隧道开挖引起的堆积体围岩变形、破坏过程以及失稳机制,并在现场进行应用验证。研究结果表明,构建的堆积体地层隧道开挖细观结构模型可有效反映隧道开挖过程中围岩的破坏过程,围岩位移等值线呈波动性与非对称性分布;围岩破坏以剪切破坏为主,局部存在拉裂?剪切复合破坏,且破坏区由边缘块石尖端向深层逐步扩展,形成包裹块石的剪切楔形区及拉剪松动圈,在施工扰动下易发生局部失稳。针对堆积体地层破坏特征,提出了围岩注浆加固措施,地层加固后土石颗粒间胶结良好,开挖轮廓周边形成有效的注浆加固圈,开挖支护过程围岩变形可控,支护结构稳定,效果良好,可为后续类似松散堆积体地层隧道的设计、施工提供新思路。