三江造山带玉峰寺深埋隧道岩爆危险性综合评价

深埋隧道的岩爆机理和岩爆预报预测一直是工程地质和岩石力学的热点和难点问题,已成为困扰地下工程发展的瓶颈之一。以滇藏铁路穿越三江造山带玉龙雪山南段的玉峰寺深埋隧道方案为例,在野外工程地质调查的基础上,对影响隧道岩爆的相关因素进行了系统分析。根据岩石力学试验、地应力分析和数值模拟计算结果,采用多种判据对玉峰寺隧道岩爆危险性进行了分析预测和综合评价。研究结果对于地质构造复杂区深埋隧道规划设计和岩爆灾害防治具有一定指导意义。     

浙江苍岭隧道岩爆工程地质特征分析与防治措施研究

根据在浙江苍岭隧道施工中发生的岩爆,通过现场地质观测资料,具体地分析了其形成的规模、位置、诱发因素以及地质条件,从地质工程的角度,对岩爆发生地段隧道的岩石组成、地质构造、地应力特征以及地下水情况进行了探讨,发现在苍岭隧道施工中发生岩爆的岩石具有岩体结构面发育适中、弹性模量大、P波波速高、地质构造简单、现代水平构造应力强且主压应力轴σ1大角度相交于隧道中轴线和地下水不发育的特征,并在此基础上,提出了掌子面喷水、布设释放地应力锚杆、减少隧道壁聚能结构等有效的岩爆防治措施。     

北天山构造演化中3阶段地应力变化及对某地下工程岩爆灾害分布的影响

北天山复杂的地质构造及多期演化使地应力方向和数值多变。在极高地应力区的深埋花岗岩施工中发生了较大范围的岩爆,影响地下工程施工安全。通过对地质构造发育和不同方向结构面配套分析,将北天山构造演化过程中地应力分为3个阶段,最大主应力由NE向、NW向转为近NS向。不同深度和不同时期地层岩体记忆残留了3个不同阶段地应力信息。采用水压致裂等方法在地面钻孔和洞内测试,结果显示最大主应力数值随深度不是线性增加,是在600～1 200 m深度呈接近45 MPa局部峰值。研究发现,地应力测试结果与钻孔饼状岩心和洞内中-强岩爆不是发生在埋深最大位置,而是发生于该峰值段深度上的花岗岩体中。说明了地质构造控制作用及3阶段地应力叠加作用的影响。     

川西折多山某深埋隧道地应力测量及其应用研究

川西地区地质构造环境复杂,该区深埋隧道建设过程中经常面临岩爆风险,而地应力条件对深埋隧道的规划建设和岩爆风险预判具有重要意义。本研究利用水压致裂法在川西折多山某深埋隧道开展了原地应力测量及其工程效应分析。某钻孔196~650 m深度范围内的地应力测试结果显示,隧址区以水平构造应力为主导,测试深度范围内水平主应力随深度线性增加,且应力增加梯度高于中国大陆背景值。地应力结构整体以逆断型(S_H>S_h>S_v)为主,其中389.50~560.50 m深度范围属应力释放区,地应力结构以走滑型(S_H>S_v>S_h)为主。侧压系数及最大、最小水平主应力比值随深度分布基本符合中国大陆各参数变化特征。最大水平主应力方向为NWW向,与区域应力场分布及周边活动断裂反映的力学机制一致,主要受印度板块向欧亚板块持续俯冲和高原物质东南向扩散作用控制。测点现今地应力强度较高,临近断裂失稳状态,随着应力的不断积累,区内优势破裂方向或已有断裂的特殊构造部位可能发生失稳滑动。最后,基于地应力测量结果对深埋隧道围岩稳定性进行了预判分析,受隧址区高地应力影响,围岩发生中-强岩爆的可能性较大,需优化设计并重点防护。     

深埋特长雪峰山公路隧道工程地质勘察技术研究

雪峰山隧道为深埋特长隧道。在该隧道的勘察过程中运用了大量高新技术,并开展了科研工作,对隧道围岩特性、地质构造、地应力场及岩爆、涌水量、围岩稳定性等与隧道设计、施工密切相关的问题均作出了准确的判断和预测。本文论述了一些新的勘察技术及科研成果,这些勘探与评价技术对其它深埋特长隧道有较好的借鉴作用。     

虹梯关隧道围岩岩爆分析

虹梯关隧道隧址围岩以硬质岩为主,该隧道属特长深埋隧道,其附近地质构造也十分发育,工程地质条件复杂,发生岩爆可能性很大。通过对岩爆影响因素的分析,采用水压致裂法地应力测试,经陶振宇判别法、切应力准则等应力判断方法,认为虹梯关隧道隧址部分地段可能会发生轻微～中等岩爆。     

福建九华山隧道岩爆工程地质特征分析与防治措施研究

根据福建九华山隧道施工中发生的岩爆,通过现场地质观测资料,具体地分析了其形成的规模、位置、诱发因素以及地质条件,从地质工程的角度,对岩爆发生地段隧道的岩石组成、地质构造、地应力特征以及地下水情况进行了探讨.并在此基础上,提出了岩爆防治措施.     

基于功效系数法和地应力场反演的深埋长大隧道岩爆预测研究

岩爆是深埋长大隧道面临的主要地质灾害之一,其“孕育-发生-发展”全过程异常复杂,使其成为地下工程中的世界性难题。准确反映地应力变化规律以及区域内地质构造影响,结合实测资料进行岩爆分级预测,对保障隧道前期勘察设计及后期安全施工具有重要意义。根据隧道工程地质资料,通过COMSOL Multiphysics和Rhino建立三维数值计算模型,反演分析得到整个区域的初始地应力场。在综合分析影响岩爆关键因素的基础上,从“储能性-倾向性-突发性”研究角度,选取岩石单轴抗压强度与围岩洞壁最大主应力比(σ_c/σ_max)、围岩洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比(σ_θ/σ_c)、岩石强度脆性系数(σ_c/σ_t)及岩石弹性能指数(W_et)作为评价指标。采用熵权法确定指标权重,运用功效系数法加权计算总功效系数值,构建了一种基于功效系数法和地应力场反演的深埋长大隧道岩爆预测模型,并将其应用于川藏铁路桑珠岭隧道。研究结果表明,该模型具有较高的准确性和可靠性,为类似深埋长大隧道岩爆预测提供了一种新的参考。     

川西郭达山隧道水平孔地应力测量与工程意义

新建川藏铁路穿越鲜水河活动构造带,沿线构造应力场极其复杂,隧道围岩工程破坏问题突出。为了揭示该区构造应力场特征,为深埋隧道设计、施工提供基础参数,采用新型水压致裂地应力测量系统在川西郭达山隧道水平孔获得10段有效地应力测量数据,最大测量深度达508.10 m,创造了水平孔地应力测量最深记录。测量结果表明,在148.4~508.1 m测量深度范围,郭达山隧道水平孔截面上最大主应力值为3.59~13.72 MPa,最小主应力值为3.28~8.36 MPa。根据印模实验结果,除浅部钻孔截面上最大主应力倾角较大外,深部钻孔截面上最大主应力倾角近水平。根据地应力状态将0~280 m段划分为应力释放区,280~330 m段为应力集中区,大于330 m段为原地应力区。基于地应力测量结果对郭达山隧道水平孔围岩稳定性进行了预判分析,在孔深292.9 m、508.10 m处隧道围岩有轻微至中等程度岩爆可能,其余段无岩爆可能性。     

宝塔山特长隧道地应力场研究及岩爆预测

为了确定宝塔山特长隧道的围岩应力状态,采用水压致裂法进行了地应力测试,并根据测试成果,通过有限元回归分析,预测了整个隧道围岩的应力分布。测试结果表明:宝塔山隧道深埋段地应力场以自重应力场为主导,在测试深度内最大水平主应力值为2.3~8.4MPa,具中等应力水平,最大水平主应力方向为N53°E,与隧道走向的夹角较大,即地应力对隧道围岩稳定性不利。最后,根据地应力资料对隧道围岩进行了施工期岩爆预测分析,表明隧道岩爆等级为弱-中等岩爆,但在完整坚硬岩石区,发生中等岩爆的可能性比较大。     

深埋隧道地质构造发育段围岩压力的特点

以龙厦铁路象山特长隧道地质构造发育、埋深大于500 m段围岩压力及围岩变形的现场测试资料为依据,对大埋深隧道地质构造发育段围岩压力的特点、变形压力的形成机制等进行了研究。研究表明：大埋深隧道,结构面或褶曲、逆断层发育,但地下水不发育的地段,即使围岩强度较高,隧道开挖后仍可能出现较大的变形;围岩较大变形主要是由于在自重应力和残余构造应力作用下被挤密的结构面在隧道开挖后因侧向限制消除而张开、扩容引起的,受其影响,初期支护将受到较大的围岩变形压力。上述地段围岩压力具有下列特点：（1）地下水不发育区段的围岩压力比地下水发育区段的大;（2）隧道纵向发育向斜的区段,拱顶至拱腰段围岩压力最大,越趋向于向斜核部,拱顶围岩压力越大;（3）发育褶曲的断面,与褶曲轴线垂直方向的围岩压力较大;（4）发育逆断层的断面,与断层倾向相反侧的围岩压力较大,该侧断层面附近的围岩压力最大,对侧断层面附近的围岩压力最小;（5）下台阶的围岩压力比上台阶的小,两者的相对差随上、下台阶施工间隔时间的延长而增大。     

陕南特长公路隧道水压致裂法地应力测量结果及工程地质意义分析

中国西部地区地势复杂,区域构造应力场各向异性显著,了解地区地壳应力状态是判断隧道设计阶段线路布设合理性的基础,也是预测隧道施工过程可能出现岩爆、断层滑动等其他工程灾害的重要参数。为了研究陕南特长高速公路隧道现今地应力状态,基于古仙洞隧道钻孔(ZK10钻孔)与化龙山隧道钻孔(ZK11钻孔)水压致裂地应力测量,获得了两隧道现今地应力分布特征。古仙洞和化龙山特长深埋隧道最大埋深处S_H值分别为13 MPa和22 MPa;古仙洞与化龙山隧道的应力关系分别为S_H>S_h>S_v和S_H>S_v>S_h,水平主应力起主导作用;S_H方向为近北西—北西西向,与区域现今构造活动背景基本一致,主要受秦岭造山带活动断裂影响。基于地应力测量结果、相关理论及判断依据认为:最大水平主应力方向与洞轴线夹角,有利于隧道围岩稳定,研究区内古仙洞与化龙山隧道的总体布置是合理的;采用岩石强度应力比法、陶振宇判据、Russenes判据和岩石应力强度比法综合判定研究区内两隧道不具备发生中等强度以上等级岩爆的可能;利用莫尔-库伦准则及拜尔定律,摩擦系数μ取0.6~1.0,对研究区内两隧道的现今地应力状态分析后发现,两隧道附近断裂带的地应力大小未达到地壳浅部断层产生滑动失稳的临界条件,处于较稳定的应力状态。      

木寨岭深埋隧道北段地应力测量与围岩稳定性分析

基于兰渝铁路木寨岭深埋隧道工程区活动断裂调查和3个钻孔水压致裂地应力测量,获得了木寨岭隧道工程区北段的现今地应力分布特征,结果表明,北段工程区最大水平主应力为38.38 MPa,属于高地应力区;三个主应力的关系为SHShSv,表明该区地壳浅表层现今构造活动以水平运动为主,主应力关系有利于逆断层的发育和活动;最大水平主应力优势方向为NE,反映穿越隧道北段的NWW向主要断裂带具有逆冲兼反时针扭动活动特征。根据地应力测量结果、相关理论及判据认为:隧道北段横截面形状以水平长轴、垂直短轴,且长短轴之比近似于隧道截面上侧压力系数的椭圆形为宜;隧道北段在埋深范围开挖时,硬岩具有岩爆发生的可能性,软岩具有发生严重挤压变形的背景。该成果为深入研究隧道区应力场特征,分析隧道围岩稳定性,科学设计隧道断面形状、结构和强度等工程地质问题提供了依据。     

大瑞铁路保山至瑞丽段及邻区地壳稳定性定量评价

大瑞铁路地处印度板块与欧亚板块碰撞带附近,地质构造条件复杂,活动断裂、高地应力、高地温、深埋隧道岩爆、软岩大变形等与地壳稳定性相关的地质问题严重制约着铁路工程规划建设。通过对大瑞铁路保山—瑞丽段及邻区地质背景、新构造活动、地壳隆升速率、潜在震源区、构造应力场、岩土体工程地质特征、地质灾害特征等因子分析,采用基于GIS的层次分析法,按照稳定、较稳定、较不稳定和不稳定4个等级,对大瑞铁路保山至瑞丽段及邻区的地壳稳定性进行了综合评价,将其划分为88个区;推荐线路C12K方案穿越19个地壳稳定性分区,其中不稳定分区占全线长度的9.79%,较不稳定分区占46.70%,较稳定分区占36.70%,稳定分区占6.81%。地壳稳定性评价结果对于指导铁路规划建设和线路优化具有重要的意义。      

Rock burst and slabbing failure and its influence on TBM excavation at headrace tunnels in Jinping II hydropower station

Two headrace tunnels and the drainage tunnel were excavated by tunnel boring machines (TBMs) in Jinping II Hydropower Station. During TBM excavation, two types of slabbing failure were encountered in these deep buried marble tunnels. One is rock bursting and the other is non-violent slabbing. In order to study the rock burst and slabbing failure, a unique true triaxial rock burst test was carried out to simulate the rock burst process with different in situ stresses. Four rock samples in different marble layers were obtained in the site, and then four experiments are conducted under the same stressed conditions as the in situ field. The rock burst process and slabbing failure phenomena of the four experiments are in good accordance with the observations of corresponding excavation site. The failure modes of slabbing and rock burst in different rock groups can be predicted based on the experiments. The influence of the slabbing and rock burst failure on TBM excavation is analyzed in depth. Non-violent slabbing is beneficial to the rock breakage process. Rock burst with violent slabbing process greatly affects the tunnel support, cutter and cutterhead damage, gripper movement and force and so on.     

桃子垭深埋特长隧道地应力预测及复核

深埋特长隧道工程的高地应力问题越来越受到重视,如何准确高效地确定工程区地应力状态,是目前关注的重点和难点。针对深埋特长隧道地应力状态的确定问题,我们提出了基于多源数据的初始原地应力方向综合确定和应力量值预测及复核的综合解决方案。通过勘察阶段有限钻孔的地应力测试,并结合区域多源地应力资料,可以综合确定地应力方向并利用修正的Sheorey模型预测隧道轴线地应力;针对预测结果,在隧道开挖施工过程中,进一步利用有限钻孔的水压致裂地应力测试检验预测结果并复核隧道应力状况。结果表明,桃子垭隧道水平最大主应力方向为N15°W～N40°W,实测三向应力关系为S_H≥S_v>S_h;钻孔附近的应力预测值在区域实测应力量值变化范围内,隧道埋深最大处的水平最大、最小应力值分别达24 MPa和16 MPa;隧道施工过程中的4个钻孔应力量值复核结果显示,除了局部受到岩性变化、断裂破碎带等影响出现偏差,本文预测结果与实测应力量值基本一致。笔者发展的原地应力综合预测及复核方法,一方面可以快速有效地预测深埋特长隧道等线状工程的原地应力状态,有效降低初始...     

汶川地震断裂带科学钻探1号井(WFSD-1)非弹性应变恢复法(ASR法)三维地应力测试与"5.12"汶川地震的形成机制

汶川地震断裂带科学钻探1号井(WFSD-1)的ASR三维地应力测试结果表明,龙门山前陆逆冲带与其下伏的龙门山前陆盆地和上覆的松潘-甘孜地块的构造及地应力状态存在有重大差异。从整体上看,在汶川地震中,龙门山前陆逆冲带表现为在强烈的区域性挤压背景下,深部物质沿壳内拆离层自SW向NE方向的"层状"流动,在地壳上部转化为沿映秀-北川断裂(YBF)的快速垂向挤出,而其西侧的松潘-甘孜地块作自SE往NW方向的重力滑覆,东侧的龙门山前陆盆地则表现为自NE往SW方向的走滑或右行旋转。晚新生代以来,扬子地块相对于青藏高原东缘的龙门山造山带并无明显的或大尺度的陆内俯冲作用发生。龙门山前陆逆冲带深部高温低粘度物质垂直向上的、快速的流动和挤出,直接导致了"5.12"汶川地震的发生,而松潘-甘孜地块E向扩展导致龙门山前陆带的强烈挤压和陆壳增厚及深部应力和地震能量的积聚则是诱导深部位移场发生突变和物质快速垂向挤出的主因,E向扩展是深部地震能量积聚和快速垂向挤出作用的必要条件,而非地震发生的直接原因。ASR地应力测试得出的主压应力方向完全平行于GPS同震速度场的位移方向,似乎表明ASR测试获得的原地应力场或许真实地反映了或最接近于地震过程中的构造应力状态。     

岩爆的洞室效应

岩爆是高地应力区地下工程开挖中常见的一种地质灾害。目前岩爆的发生条件多从地应力条件、地层岩性、岩体结构、埋深和地形、地质构造作用、水文地质条件、开挖爆破等因素开展研究。文章提出通过改变洞室断面形态及尺寸预防岩爆发生的思路,在单因素分析条件下,通过有限元软件模拟不同洞室形状和尺寸的开挖,分析探讨同一尺寸、不同洞室形状下的岩爆强度和同一洞室形状、不同尺寸下的岩爆强度。结果表明：岩爆存在洞室形状效应,同一尺寸下,椭圆（谐洞）是对减少岩爆最有利的洞形,半圆直墙形和圆形其次,半圆形最差;岩爆存在洞室尺寸效应,同一洞室形状下的岩爆都随洞室开挖尺寸的增大而增强。同时,通过双曲线和指数函数的拟合表明,岩爆强度不会无限上涨,而是最终趋于一个稳定值。     

内蒙古狼山地区南北向断裂构造应力场特征及其与区域构造演化关系

内蒙古狼山地区断裂构造十分复杂,主要发育有南北、东西、北东和北西走向的断裂构造.从南北向断裂的几何形态、运动性质、构造应力场特征入手进行研究,结合野外实地调查与测量,运用极射赤平投影方法,求出构造应力场的主应力轴方位,进而对本区的构造演化进行了探讨.初步认为,研究区发育的近南北向断裂至少受到过两期构造应力场的作用,第一期是在晚二叠世,由于华北克拉通向北、西伯利亚板块向南活动而形成碰撞拼贴运动所产生的近南北向近水平挤压构造应力场,此时构造应力场的主应力轴σ₁为北偏东10°左右,向北倾伏,倾伏角为15°~20°.在这一期构造应力场的作用下,狼山地区发育了一套破裂系统,它们分别表现为近东西走向的挤压构造带和逆断层、近北东走向的以左行为主的走滑断层、近北西走向的以右行为主的走滑断层以及近南北走向的张性断层.这些早期的断裂系统也制约着该区域后来的构造活动,第二期构造应力场是侏罗纪以来古太平洋板块向亚洲大陆俯冲而产生的.此构造应力场的主应力轴σ₁为北西-南东向,倾伏向为150°左右,倾伏角为10°~20°.第二期构造应力场的作用,使早期南北向断裂由原来的张性破裂面转为左行走滑,早期东西向断裂转为右行走滑,早期北东向左行滑动面转为压性面和褶皱轴方向,而早期的北西向破裂面则转为张性破裂性质.