硬岩开挖诱发扰动应力旋转规律及其对岩体破裂的影响

针对深部地下工程扰动应力场变化诱发围岩损伤破裂的问题,在详细分析锦屏地下实验室Ⅱ期工程扰动应力场测试数据的基础上,解译了不同施工过程下扰动应力场的变化规律,分析了主应力方向的变化模式,通过对照分析岩体原位钻孔成像,揭示了主应力方向变化对围岩破裂的影响。研究结果表明：中导洞开挖阶段是扰动应力场变化最活跃的阶段,开挖掌子面向监测断面推进的过程中主应力方向的变化模式以应力回旋为主,开挖掌子面远离监测断面推进的过程中主应力方向的变化模式以应力旋转为主,主应力方向出现最大变化幅度的位置在距离边墙4.5 m测点处;边墙扩挖阶段,主应力方向的变化模式以应力旋转为主,主应力方向出现最大变化幅度的位置在距离边墙2.5 m测点处;扰动应力方向变化直接影响岩体裂隙发育的形态和走向,大角度旋转的应力容易诱发张拉裂隙以及拉-剪混合型裂隙,小角度旋转时更倾向于诱发破裂面偏转角度与应力旋转角度相当的、具有凹凸形态的剪切裂隙,大角度回旋的应力多形成相互交叉的“X”型剪切裂隙。基于实测扰动应力的研究结果可为深埋高应力硬岩开挖的扰动应力场变化规律及其对岩体破裂发展的影响研究提供参考。     

地下洞室围岩应力的测量研究

介绍了在地下洞室不同方向的钻孔中，采用水力劈裂技术进行的原位地应力测量。结合广西全州天湖水电站，广州抽水蓄能电站和广西龙滩水电站的实测结果，分析研究了地下洞室围岩应力的分布状态及影响围岩应力分布的主要因素。     

地下洞室分步开挖围岩应力变化特征及岩爆预测

摘 要：为分析大型地下洞室分步开挖各开挖层之间的应力相互影响情况及利用先开挖层的岩爆发生情况来预测后开挖层的岩爆情况,采用数值计算和现场监控测量的方法进行了一系列计算分析。结果表明：当初始应力场中水平应力和竖向应力相当时,随着不断地开挖进尺,拱顶、底角和底板的应力先期增加明显,后期增幅变小,逐渐稳定。先开挖层若发生岩爆,后开挖层底角和底板也会出现岩爆,洞室先期开挖岩爆的风险较大,后期较小。当初始应力场中水平应力占主导地位时,随着不断地开挖进尺,拱顶、底角和底板的应力先期增幅不大,后期变化较快,侧压力系数越大,先开挖层若发生岩爆,后开挖层在后期开挖时出现岩爆的风险也越大。最后通过洞室的实际开挖情况验证了分析结果的正确性,利用各层之间的相互影响特征来预测后开挖层的变形破坏情况为地下洞室稳定性分析提供了一种新的思路。     

地下洞室开挖与支护有限元分析

介绍了数值方法在地下洞室开挖与支护稳定性分析中的应用情况,结合某地下大洞室的设计及施工方案,用有限元法对该洞的开挖与支护过程进行了有限元模拟,研究了喷锚参数设计问题,为工程设计和现场施工提供了理论指导。     

考虑主应力轴旋转的基坑开挖应力路径研究

首先对应力路径的概念进行丰富和扩展,提出考虑主应力轴旋转的三维应力路径,然后采用数值方法,对基坑开挖过程中的应力路径进行了深入分析,研究了基坑内外各种应力路径及其规律,结果表明：开挖过程中无论横向还是竖向,应力路径都表现出卸荷特性,且坑内卸荷量大于坑外卸荷量,使得坑内应力变化及主应力轴旋转较坑外大;随着离基坑中心距离的增大,坑内应力变化减小,主应力轴旋转趋缓;开挖过程对坑外应力变化及主应力轴旋转的影响随离围护墙距离的增大而减小。坑内应力路径总体表现为平均压应力p减小,广义剪应力q减小,主应力轴偏转角? 增大;坑外应力路径总体表现为p减小,q增大,? 增大。最后归纳出基坑开挖过程中坑内与坑外的典型应力路径,以指导基坑工程实践设计分析和室内试验模拟。     

地下洞室动态开挖的三维数值分析及优化研究

针对云南锡业集团公司个旧锡矿地下采场洞室的开挖技术条件,采用非线性三维有限元法,对其动态开挖过程进行了数值模拟分析,并优化选择了地下采场洞室的开挖顺序和开挖跨距,从而得到一些有益的结论。     

开挖扰动下地下交叉洞室错动带岩体微震演化规律

错动带具有“历史上多次剪切错动、延伸范围广、遇水易软化、力学强度低”的软弱特性,致使其在开挖卸荷作用下极易诱发不同程度的变形和破坏,进而严重影响地下洞室的稳定性。针对白鹤滩水电站右岸9#母线洞（地下交叉洞室）发生的错动带岩体塌方破坏,借助高精度、实时微震监测系统,系统地研究了塌方孕育过程中的微震活动性,包括微震事件时空演化规律、震级和视应力分布特征。采用矩张量理论,反演塌方孕育过程中的微震事件破裂机制（张拉、剪切或混合）,归纳、总结其演化过程为：表层围岩卸荷张拉破裂→裂纹渐进向围岩深部扩展→破裂沿错动带方向萌生、扩展（张拉破裂为主,伴随剪切或混合破裂）→裂缝与错动带交汇,切割出不稳定楔形体→爆破振动或重力作用下,错动带岩体塌方。该研究结果可为高应力地下交叉洞室错动带岩体的开挖、支护提供参考,同时对类似工程的施工具有重要借鉴意义。     

高地应力条件下地下厂房开挖动态卸荷引起的变形突变机制研究

分析了高地应力条件下地下厂房高边墙变形突变的形成机制,认为地应力动态卸荷引发的围岩松动是导致地下厂房高边墙变形突变的重要原因之一。基于瀑布沟地下厂房高边墙变形突变的实测资料,利用理论分析和数值模拟,计算了高地应力准静态和动态条件下地下厂房开挖卸荷引起的厂房高边墙的水平向位移。与实测资料对比表明,在动态卸荷过程中,结构面的张开和滑移是引起地下厂房围岩变形突变的主要原因,而在准静态卸载条件下,这种结构面张开变形却并不明显。在实际工程中应考虑开挖引起的地应力动态卸荷效应,尽量减小每次开挖对围岩扰动,谨防引起变形突变甚至失稳破坏     

大型地下洞室不同开挖效应的动态仿真分析

针对云南锡业集团公司个旧锡矿地下采场洞室的开挖技术条件,采用非线性三维有限元法,对其动态开挖过程进行了仿真模拟分析,并优化选择了地下采场洞室的开挖顺序.结果表明,不同的开挖顺序,对围岩的稳定性具有显著的影响.     

水电站地下洞室群分步开挖的非连续变形分析

利用大岗山水电站的地质勘探资料建立不同贯穿节理组合下地下洞室群的DDA模型,分析了洞室群开挖的破坏模式,并简单阐述其破坏机制。基于Monte-Carlo方法模拟节理的随机分布,结合大岗山水电站的开挖设计方案,对地下洞室群在分步开挖过程中的位移及应力演化进行研究。研究表明：洞室群开挖完成后,洞周块体的位移均指向洞内,尾调室上下游与主厂房上游的变形较大;洞周块体的大主应力均平行于洞室边界线,尾调室的应力释放比较明显,其边墙块体发生了滑移;洞室群在开挖过程中互相影响,其中主变室受主厂房和尾调室的影响比较明显。研究结果指出了洞室群开挖过程中需要关注和加固的具体部位,为工程支护措施的优化提供了依据。     

大跨度高边墙地下洞室分层间隔施工方法

结合某大垮度、高边墙地下洞室的施工实践,详细阐述了大洞室纵向预留隔层、隔层上中下同步开挖、最后清除隔层这一新的开挖方法施工全过程。通过数值模拟,对这一新的开挖方法与自上而下台阶式开挖方法引起围岩最大变形、围岩塑性破坏和锚杆轴力进行了对比分析,结果表明,新的开挖方法对围岩的扰动破坏更小。指出了采用这种新方法的适用条件。对于其他用途大跨高边墙地下洞室的施工具有一定的参考价值。     

层状岩体开挖洞室围岩块体稳定分析及锚固方法

由于层状岩体的稳定性受层面控制,在该类岩体中进行开挖常常导致块体的失稳,给工程建设带来巨大的危害.本文从层面与结构面组合形成的块体系统稳定性分析入手,运用改进的块体理论,进行了块体稳定分析程序的开发,对定位、半定位块体的系统稳定性分析方法进行了探讨.以西龙池抽水蓄能电站地下厂房为例,对围岩中的块体进行了系统稳定分析.通过实际开挖验证,表明了分析结果的合理性,开发的程序可供同类工程参考使用.本文所提出的方法可为地下工程施工期的超前预报、围岩的系统锚固支护设计提供重要依据.     

大型地下洞室群开挖支护弹塑性损伤优化研究

正在设计施工的某大型水电站地下洞室群地质条件复杂,其开挖支护方案对围岩稳定性非常重要,因此,对支护方案进行优化研究非常必要。为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤模型和损伤演化方程,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM,具有模拟开挖与支护、计算速度快、群组功能等特点。建立大型地下洞室群三维数值模型,将通过实测地应力反演的应力作为初始地应力。采用D-FEM模拟了不同支护方案洞室群的施工过程,通过分析洞室围岩的应力、位移和破损区,支护方案2的支护效果最好,建议采用此方案。考虑岩体损伤演化后与FLAC3D塑性区相比,洞室群边墙中部的破损区显著增加,因此,程序可应用于地下工程的稳定性分析     

Deformation behaviour of a large underground cavern

Summary The Imaichi underground power station, with a cross sectional area of 1420 m², which is now under construction by Tokyo Electric Power Co., Inc., is one of the largest underground caverns in the world. Due to the considerable depth of the over-burden of 400 m, the horseshoe-shaped section was adopted for the first time in Japan to minimize excesive stress concentration on the surrounding bedrock and keep loosened zones to a minimum.The bedrock consists of sandstone, slate, siliceous sandstone and breccia. The rock is generally hard and compact, with few fractured zones which may have an adverse influence on the excavation of the cavern.The supporting system of the cavern consists of prestressed rock anchors, rock bolts and shotcrete.Approximately 800 instruments, mainly multiple stage extensometers, were used to monitor behaviour of the surrounding rock during excavation of the cavern. With the exception of some cracks which occurred in a portion of the shotcrete when about half the height of the cavern had been excavated, excavation work was completed without any major trouble. In spite of the symmetrical shape of the cavern, the deformation behaviour of the surrounding rock during excavation was remarkedly asymmetric. The reason for this was concluded to be the peculiar deformation behaviour exhibited by Breccia during stress relief, as shown by in-situ rock tests, etc., and analysis of deformation data after completion of the excavation work.     

爆破开挖诱发的地下交叉洞室微震特性及破裂机制分析

白鹤滩水电站右岸地下多洞室间相互施工扰动,使得母线洞等交叉洞室围岩的微震活动规律及破裂机制十分复杂。引进南非IMS微震监测系统,研究高地应力、多面临空卸荷应力环境下交叉洞室围岩的微震特性及破裂孕育机制。根据地下厂房区围岩岩性、错动带及断层分布,选取监测效果较佳的传感器并合理布置;通过定点敲击试验进行波速反演,分析震源定位的精度;以10#母线洞掉块案例为工程背景,分析爆破开挖诱发的交叉洞室岩体破裂微震事件与能量释放时空演化规律,并基于S波和P波的能量比（ES /EP）,归纳、总结了掉块发生过程中岩体破裂演化机制：大量张拉事件发生（爆破冲击诱发）→拉剪、压剪事件发生→张拉事件、剪切事件交替发生（集中应力和节理综合影响）→掉块发生（重力和节理综合作用）。研究结果有利于优化白鹤滩水电站右岸地下洞室群交叉部位的开挖方案,同时对类似工程的开挖和支护具有重要借鉴意义。     

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。     

地下洞室开挖过程围岩应变能调整力学机制

深埋洞室岩体开挖过程中,围岩应变能的聚集和释放是洞室发生灾变破坏的重要诱因。针对圆形洞室开挖,分析和比较初始地应力准静态和动态两种不同卸载方式下围岩应变能的调整过程,基于能量角度判定了围岩损伤范围。研究表明：伴随地下洞室的开挖,岩体能量靠径向应力做功的方式在围岩中由远及近传递,并导致近区围岩应变能聚集;初始地应力动态卸载诱发围岩应变能先减小后增大,先对靠近开挖面的相邻岩体通过径向应力做功的方式释放自身的应变能,随着卸载应力波的继续向前传播,远离开挖面的相邻岩体又通过径向应力对其做功的方式促使其应变能聚集;相比初始地应力准静态卸载,动态卸载条件下高应变能聚集程度导致围岩损伤破坏范围更大。     

节理岩体大型地下洞室群稳定性分析

深入研究了加锚节理面的变形特点和节理面附近锚杆的变形特点;把断裂力学与损伤力学相结合,采用应变能等效的方法,建立了加锚断续节理岩体在压剪应力作用下的本构关系;按自洽理论的方法,得到了加锚断续节理岩体在拉剪应力状态下的本构关系,并将其理论模型应用于某大型地下厂房的三维稳定性分析中。应用加锚断续节理岩体断裂损伤模型模拟锚杆的支护效应,锚杆通过与围岩的联合作用,有效地限制了围岩变形,改善了围岩的应力状态,阻止了围岩破损区的发展演化,从而提高了围岩的稳定性。将断裂损伤计算结果与一般弹塑性（FLAC3D）计算结果进行了对比分析。相比于普通的弹塑性模型,加锚断续节理岩体断裂损伤模型考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,以及锚杆针对节理裂隙的加固作用,能更好地反映裂隙岩体洞室围岩稳定性特征,从而验证了该模型的有效性和优越性。