低地应力区地下洞室开挖围岩剪应力静态数值模拟研究

本文以西北某市大型水利地下洞室工程为例,采用弹塑性二维有限元法对低地应力区洞室开挖后围岩剪应力分布与围岩变形破坏进行了数值模拟,总结出了低地应力区地下洞室开挖后围岩剪应力大小、分布规律与围岩变形破坏的关系.该项研究它将有利于进一步研究低地应力区地下洞室开挖后围岩稳定性,同时对保障地下洞室工程的圆满进行具有重要的理论价值和现实意义.     

双圆形洞室群开挖过程围岩应力场变化分析

洞室群稳定性是水利水电、铁路公路、国防工事、能源开发与储备工程等领域的研究热点问题。结合新疆某水电站洞室群工程,利用3D-Sigma软件建立了5个洞室群模型(每个模型均含有两个圆形洞室),模拟了洞室开挖过程中围岩应力场变化状况,通过在拱顶、拱底、左右拱脚等区域设立应力监测点,详细分析了前期洞室开挖过程中围岩应力场的变化、后期洞室开挖对前期洞室围岩应力场影响以及随两洞室间距增大应力场的变化规律,得出了洞室群开挖过程中的应力集中分布特征。研究成果对深部洞室群稳定性控制具有一定的参考价值。     

水平薄层岩体中大跨度地下洞室工程地质研究

山西西龙池抽水蓄能电站地下厂房围岩为水平薄层岩层,工程竣工发电已多年,施工及运行期安全,但工程开工前,还没有在水平薄层岩体中开挖大跨度高边墙地下洞室的成功范例,鉴于此,以山西西龙池抽水蓄能电站工程为依托,从工程地质角度,对水平薄层围岩岩性特征、岩体结构特征、岩体力学特性、大跨度高边墙地下洞室围岩分类、围岩变形特征等方面进行了研究,依据研究成果,对洞室开挖支护施工、围岩变形监测等进行了分析,依据围岩变形监测成果对围岩力学参数进行了反演,验证了前期勘察成果,取得了在水平薄层状地质环境中开挖大型地下洞室的宝贵经验,进而为在水平薄层状地质体中修建大跨度、高边墙地下洞室提供了更多的技术支持,对此类不良地质条件下大型地下洞室群建设具有重要的指导意义。     

龙滩水电站地下厂房洞室围岩弹塑性数值分析

根据龙滩水电站地下厂房的工程地质条件与开挖设计，采用二维弹塑性有限元法对地下洞室群围岩进行了数值模拟计算，研究了开挖过程中及完成后围岩的变形与应力、各洞室之间的相互影响，提出了设计与施工建议。     

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。     

变径洞室超前支护开挖模拟与分析

变径洞室开挖稳定性是地下工程重要的研究课题之一。尤其在围岩软弱的情况下,从小截面向大截面洞室开挖的过程中,会给施工带来很多安全方面的难题。通过有限差分数值分析方法研究了变径洞室的开挖稳定性,分析了拱部小导管超前注浆支护与非超前支护两种施工方法对工程的影响。计算结果表明,由小截面向大截面洞室开挖,不稳定性因素增加,超前小导管注浆支护能够显著提高围岩的稳定性,明显减少了洞室的变形和塑性区,避免了软弱围岩开挖中塌方现象的产生。研究成果对洞室施工具有指导意义。     

不良地质段双洞交叉开挖三维有限元分析

积石峡水电站泄洪洞与导流洞交叉段形成了跨度为28 m,高度为22 m类似城门洞形的大断面洞室,该洞段围岩呈层状分布,且有一软弱夹层穿过拱顶,对洞室稳定极为不利。针对这一实际工程问题,确定了开挖方案和支护措施,采用三维非线性有限元分析了该处的围岩应力和变形随开挖进行的变化和围岩的稳定性,并考虑了位于拱顶的软弱夹层对交叉段洞室开挖围岩稳定的影响,对于其他类似工程,其结果具有良好的参考价值。     

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.     

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。     

佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房施工开挖过程的FLAC3D数值模拟

选取佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房区,采用三维快速拉格朗日法（FLAC3D）模拟施工开挖过程,研究了洞室群围岩的开挖变形形态和应力状态,分析了围岩和调压井高边坡在自重荷载作用下的开挖稳定性。通过对地下厂房洞室群区的加固处理,分析了围岩在加固后的力学特性。利用FLAC3D程序的Ubiquitous模型,引入了一组主要节理裂隙,分析了此组节理裂隙对地下洞室群围岩的开挖变形及整体稳定性的影响,并与无节理裂隙的数值模拟结果进行对比,综合评价了节理裂隙对洞室群围岩稳定性的影响。     

大型地下洞室全长黏结式岩石锚杆锚固机制研究及锚固效应分析

以大型地下洞室为背景,采用隐式锚杆柱单元模拟黏结式岩石锚杆,推导了杆体对围岩模型的附加刚度贡献模型。根据中性点理论,假定锚固体界面的剪切滑移模型,导出了锚杆与围岩相互作用下的荷载传递基本微分方程。基于三维弹塑性有限元增量法计算的围岩离散位移,采用插值拟合获得造成锚杆变形的围岩连续位移,通过求解微分方程得到锚固体界面剪应力和轴向力分布函数。将获得的锚固体剪应力采用等效附加应力模型作用于岩体,反映了锚杆的支护效应。实例分析表明,锚杆新算法能较好地模拟锚杆支护效果。获得的锚固体受力分布特征符合中性点理论,锚固体界面剪应力分为正、负两段,锚固体轴向力分布为单峰曲线。此外,新方法的计算值与实测值较为接近。     

小浪底水利枢纽地下厂房岩体支护效果数值分析研究

介绍了小浪底水利枢纽地下厂房岩体力学行为数值分析的过程和方法,包括采用的屈服准则、三维几何模型、岩体力学参数、地应力场、开挖过程模拟和支护结构模拟方法。给出了1.0和0.8两种侧压力系数下,无支护结构、无预应力锚索有锚杆有衬砌、有预应力锚索有锚杆有衬砌3种情况的计算结果,研究结果表明：（1）支护结构对限制围岩位移和塑性区开展作用不大,但对于固定松动破碎岩块、防止洞周局部崩塌脱落有不可缺少的作用;（2）开挖过程对预应力锚索拉力影响不大;（3）开挖过程引起混凝土衬砌较大拉应力,围岩表面的钢筋网,对于限制衬砌开裂和防止其脱落,有重要作用。     

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。     

全长黏结式锚杆沿程应力分布模拟方法

全长黏结式锚杆是地下洞室常用的一种围岩支护手段。研究全长黏结式锚杆沿程应力分布特性对于锚杆-围岩组合体的稳定性评价具有重要的作用。利用单元嵌入计算格式,建立锚杆-围岩组合体中锚杆的等效模拟方法。通过轴对称四边形单元模拟锚杆内部变形,据此推导该单元内力、切线刚度及锚杆模型固有内力、计算刚度,最终通过整体及局部坐标的变换建立锚杆模型附加内力及切线刚度的计算方法。锚杆的非线性特性主要由接触面失效、杆体屈服引起,该方法能够较方便地应用隐式有限元计算格式,对围岩及锚杆的非线性特性进行统一分析。该方法在反映锚杆对围岩支护效果的同时,能够较好地反映锚杆的沿程应力分布特性。     

Displacement Forecasting Method in Brittle Crack Surrounding Rock Under Excavation Unloading Incorporating Opening Deformation

Splitting failure, which is recognized as a special engineering geology phenomenon, occurs continually in the brittle rock mass of caverns during underground excavation. In this paper, a splitting model of linear slippage crack groups is built with fracture mechanics, energy analysis, and crack extension theories. Considering intrinsic cracks in rock mass and change of outer stress, intrinsic cracks propagate into macroscopical splitting cracks that are approximately parallel to the side wall of caverns. The splitting criterion of cavern rock mass and the method for predicting displacement in view of splitting opening displacement are proposed. In the end, the forecasting method is applied to the Jinping-I Hydropower Station, underground caverns engineering in China, the splitting failure zone and forecasting displacement are accordant with the monitoring data. The new forecasting displacement method is proven to contribute to the construction of similar underground caverns.     

基于隧洞衬砌和等效锚杆模拟的密集地下洞室群稳定性分析

江坪河水电站右岸地下洞群依次布置为导流洞、泄洪放空洞、溢洪道①、溢洪道②四条隧洞,洞室密集,地质条件复杂。三维模型以洞室模拟为主,同时精确模拟了3个洞室出口边坡,4条较大断层,多个岩层分层及坡表的实际形态。洞室开挖后,采用预应力锚索、系统锚杆、初期衬砌和二期衬砌等多种支护措施。支护计算时,对预应力锚索进行了精细模拟。对系统锚杆采用二维“子模型”的进行等效计算,确保了必要的计算精度,提高了建模可行性和计算效率。两期衬砌模拟采用三维壳体结构单元中的Shell单元,通过2次位移等效分别得到考虑锚杆衬砌效应的修正后初期衬砌和二期衬砌变形参数。根据关键点的变形趋势及洞室的最大弯矩值的变化情况对衬砌厚度进行了优化。针对设计规范中衬砌结构配筋所需基础参数,指出利用衬砌单元可有效的读取衬砌弯矩值和剪力值,同时标定其具体位置。分析认为,泄洪洞开挖坡锚索和2条溢洪道之间的上层的对穿锚索可能由于水泥浆强度较低而出现滑移,同时指出加固措施使临空面的最大位移大幅降低,也能一定程度抑制塑性区发育。     

考虑空间效应的地下洞室爆破开挖松动区参数场位移反分析

将地下洞室爆破开挖松动区视为一个随开挖过程演变的非均匀、非稳定三维扰动场,松动区内岩体力学参数则是一个具有时空演化特性的参数场。考虑爆破开挖扰动空间效应和岩体真实变形响应,提出了真实工作状态下开挖松动区岩体参数场辨识的位移反分析方法。基于局部监测变形空间插补得到的空间位移场,通过分析洞室爆破开挖围岩变形扰动机制,建立了开挖松动区岩体变形模量参数场数值演化模型,并进行了模型适用性和参数敏感性分析。在此基础上,以变形模量参数为例,结合围岩实测位移信息,提出了开挖松动区参数场位移反分析的动态实现过程。将该方法应用于溪洛渡地下洞室群施工期参数场反演和围岩稳定动态反馈评价及预测,结果表明,该方法合理有效,在大型地下洞群施工开挖与快速监测反馈方面具有显著的工程适用性及实用性。     

基于岩体蠕变效应的锚杆应力分布及其变化规律研究

考虑岩体蠕变效应的锚杆应力分布及变化特征对研究工程锚固效应具有非常重要的意义,而目前关于这方面的研究并不多见。首先从锚固微元体受力特点的角度出发,研究微元体在围岩蠕变条件下的受力变化规律,得到如下结论：蠕变岩体下锚杆锚固力的变化趋势和岩体所受应力状态及其变形密切相关。当微元体受拉时,锚杆轴力随时间有不断增长的趋势;而当微元体受压时,锚杆轴力则随时间不断减小。针对锚杆在黏弹塑性围岩体中的受力分布,以解析方法推导了锚杆应力峰值所在位置与围岩体塑性区重合的重要结论,且从工程数值计算角度进一步验证了锚杆应力峰值的位置特点,并分析了地下工程中锚杆应力随围岩体蠕变而逐渐增大的变化特征。     

盐岩储气库最佳采气速率数值模拟研究

由于已采盐矿存在着大量的采卤溶腔群,对采卤溶腔群进行改造作为天然气储存库使用,能有效缩短储气库的建设周期,并消除采卤溶腔对环境带来的不利影响。基于盐矿地质资料、盐岩的力学试验及本构关系分析,对作为西气东输储气库使用4口采卤溶腔群进行了研究,通过三维数值模拟方法研究了该溶腔群在不同采气速率下盐腔周的应力状态和体积变形规律,并通过分析,对该溶腔群的最佳采气速率得出了有益的结论。     

葡萄山公路隧道通风机房洞室群施工力学分析

在长大隧道施工过程中,通风机房洞室群的施工是整个隧道施工过程的关键。本文借助ANSYS通用软件,结合葡萄山特长公路隧道通风机房洞室群开挖施工过程,建立了基于D-P准则的非线性三维有限元分析模型,对通风机房洞室群在施工过程中围岩的稳定性进行了研究。以应力和位移变化最为明显的送风通道轴线剖切模型所得到的断面为例,分析了施工步的变化及各支洞的开挖对主隧道位移、应力和塑形区的影响,并与隧道监控量测资料进行了对比分析,得到了计算位移与监测资料比较一致的结论,为隧道通风机房洞室群优化设计和安全施工提供了依据。