锦屏Ⅱ水电站辅助洞岩爆灾害评价及对策研究

锦屏Ⅱ水电站辅助洞是典型的深埋隧洞,高应力条件下的岩爆灾害一直是设计和施工阶段面临的主要问题之一。通过统计辅助洞开挖过程中岩爆的基本规律,结合地应力和典型岩层的室内岩石力学试验,采用不同的岩爆评价指标对辅助洞的岩爆危险性进行了评价分析。并针对辅助洞工程的实际情况,讨论了施工过程中岩爆防治的措施,提出相应的岩爆控制对策,为锦屏Ⅱ水电站正在施工的4条深埋长大引水隧洞中岩爆的预测和防治提供了重要的基础性数据和借鉴,并可为现场施工提供指导     

信息化施工技术在地下工程中的应用

针对地下工程设计中“地质环境复杂,基础信息匮乏”的基本特点,结合具体隧洞工程,对信息化施工技术进行了分析探讨。设计和编制了工程数据库信息管理系统。利用现场施工监测取得的位移资料,用优化方法反演了围岩力学特性参数。利用反演分析求得的围岩力学参数,应用有限元法对该工程的施工过程围岩稳定性进行了分析计算。     

深埋大理岩力学特性对岩爆发生条件的影响分析

岩爆作为深埋地下工程围岩的一种破坏方式,其发生条件受多种因素的制约。根据在锦屏二级深埋隧洞掘进过程中的岩爆统计结果,即使应力条件和岩体强度达到一定的要求,岩爆发生与否以及剧烈程度还与岩体力学特性有密切的联系。锦屏二级深埋隧洞沿线以大理岩为主,为此开展了大理岩力学特性与岩爆发生关系的相关研究工作。根据大理岩三轴压缩试验结果,验证了大理岩的脆-延-塑转化特性,确定了锦屏白山组大理岩的转化围压和相关的Hoek-Brown强度参数,并利用经验的方法初步评价了锦屏深埋大理岩的岩爆风险。为了进一步明确岩体力学特性对岩爆风险的影响,利用现场实际的岩爆破坏形态,通过考察不同深度处测点的应力路径,校核了现场岩体的力学参数。在此基础上分析了具有岩爆风险的围岩力学状态,分别研究了岩石强度、岩体完整性和岩体脆性特征对岩爆发生条件的影响。研究结果表明,锦屏大理岩岩石强度和脆性特征可以影响到锦屏深埋隧洞围岩岩爆风险程度,但其影响相对较小,而岩体完整性对岩爆风险形成具有比较明显的影响。     

脆性岩石破裂及强度的时间效应研究

岩石破裂及其导致的强度时间效应是深埋岩体工程长期稳定性所关心的一个重要问题。近年来,地下结构建设中已面临较为普遍的围岩破裂和强度时间效应问题的挑战。首先从现场现象及既有室内实验成果作为依据,阐述了岩石破裂扩展的一般规律性及强度时效的实验研究方法,并系统性论述了用于描述岩体破裂和长期力学行为的理论方法和进展,特别是基于离散介质力学方法的PSC颗粒流模型。在此基础上,依托锦屏水电站大理岩深埋引水隧洞工程并参考PSC模型核心理论,建立利用围岩质量指标GSI随时间呈指数递减关系的连续介质力学应力腐蚀模型FLAC-SC来表征隧洞开挖损伤区内围岩强度时效特征。以现场已获得锚杆应力测试成果作为基本依据完成了FLAC-SC模型参数的校核,继而就不同支护压力围岩运行期屈服深度预测,以指导锚杆长度及二衬厚度优化设计。     

含水疏松砂岩地层深埋隧洞冻结施工技术与实践

冻结法施工是一种有效应对富含水不良地质段的隧洞施工方法,然而200.0 m级埋深隧洞采用水平冻结法施工尚无先例,且缺少相应的基础数据可供参考。本文依托引洮供水一期工程总干渠7#隧洞典型洞段的冻结法施工实践,研究了国内少见的富含水粉细砂层冻结加固工程冻土力学性质,基于此,研究了200.0 m级埋深隧洞冻结壁参数,确定了冻结孔布置方式、冻结施工基本参数、深埋高水压情况下冻结孔开孔方法,以及冻结施工特殊要求等技术参数。同时,还研究了相应工程技术措施,以减少冻胀和后期融沉对隧洞结构的影响。本文研究成果将为200.0 m级深埋隧洞水平冻结法施工提供技术和实践参考。     

三峡引水工程秦巴段输水隧洞稳定性分析

三峡引水工程秦巴段隧洞总长占线路总长的80%。为了分析隧洞施工及运营中可能发生的工程地质问题,在地质调查、地应力测量和岩石力学参数测试的基础上,利用Ansys有限元软件对引水工程北部不同深度、不同截面形态的隧洞围岩的应力重分布情况进行了模拟计算,得到了圆形隧洞、城门形隧洞和马蹄形隧洞围岩的应力分布结果。利用Hoek-Brown强度准则,得到了隧洞围岩的强度/应力比值,进而对不同深度、不同截面形态的隧洞围岩的稳定性进行了分析。初步认为:隧洞埋深小于1000m时,应优先考虑圆形隧洞和马蹄形隧洞;埋深大于1000m时,应优先考虑城门形隧洞。这项研究成果为引水工程深埋隧洞的设计提供了参考依据。     

基于能量增减法的深埋绿片岩隧洞稳定性评价方法

基于对现场地质条件和开挖响应的直观认识和对岩石室内试验所得物理力学特性的深刻揭示,建立了深埋条件下软弱围岩大变形挤压程度分级方法及相对应的安全系数计算方法。该方法考虑到隧洞原岩集聚的能量过大是造成开挖后围岩失稳的根本原因,将隧洞原岩能量和围岩的总变形与弹性变形之比相结合,分析了隧洞的围岩稳定性状况,并在此基础上通过增减隧洞原岩能量得到了其安全系数。通过实际工程应用及与传统经验评价方法的对比,验证了该方法的合理性与适用性。该方法考虑了围岩的地质情况、断面形状、尺寸、开挖方式等多种因素,弥补了传统经验评价方法无法适应复杂多变的现场工程施工情况的不足,更加贴近实际。可为大变形隧洞的安全预测、开挖方案、支护设计等提供重要参考依据。     

六盘山深埋隧洞工程围岩变形特征及定性预测研究

结合甘肃省白龙江引水工程,分析六盘山深埋隧洞地层岩性、地质构造、地应力场特征、岩石强度等地质条件,分析围岩变形特征及大变形机理,预测大变形发生的位置、类型和分级,提出应通过减少围岩扰动、优化施工参数、合理预留变形量以及加强现场监控等手段,优化施工方法,保证施工正常进行。     

基于量测位移的隧洞围岩弹性抗力系数反演方法

在水工隧洞工程中,岩石弹性抗力系数K反映了岩石弹性抗力的大小,是设计环节中需要确定的一个极为重要的基础计算参数。水工隧洞工程中需用水压法试验测定弹性抗力系数,由于水压法测定抗力系数不仅耗时、费工、且试验工艺复杂。本文通过对比分析弹性状态下深埋圆形隧洞开挖支护与水压法试验力学效应关系,提出一种基于量测隧洞位移的围岩抗力系数的反演方法,该法可根据量测隧洞位移直接反演得到弹性抗力系数。结合北京市南水北调配套工程南干渠工程试验段工程实践,对浅埋水工隧洞位移进行监测,利用提出的反演方法,得到了隧洞围岩的弹性抗力系数。提出的反演方法为复杂水工隧洞不同围岩应力状态问题的弹性抗力系数反演提供参考和借鉴。     

复杂地质条件输水隧洞冻结施工段支护控制研究

穿越含水疏松砂岩层的深埋输水隧洞围岩稳定和支护控制问题是长距离输水生命线工程中的难点,其施工开挖和支护控制方法目前尚不完善。结合某深埋输水工程疏松砂岩层的支护工程实践,分析了疏松砂岩层冻结施工过程及解冻后土体力学性质的演化以及围岩支护联合受力机制,采用有限元法揭示了冻融过程下围岩的变形规律及支护受力演化特征,并提出疏松砂岩层冻结施工及分步联合支护的设计理念和支护方案。研究结果表明,采用分步联合支护方法能够得到较理想的支护效果,冻结施工段进行支护结构刚度设计和数值验证时应考虑冻融过程对围岩的扰动弱化,让各种支护手段在时间和空间上实现有效结合,使围岩和支护结构紧密结合,形成受力机制明确的联合受力体。     

Reflection on the problems in mechanical response monitoring and testing design of deep tunnels

Nowadays the number of deep tunnels is greatly increased. Since there are lacking successful numerical methods and experiences from relevant engineering construction and design of deep tunnels, massive on-site monitoring and testing should be conducted to support the design and safety control. The present monitoring and testing design methods are proposed according to the characteristics of shallow underground engineering. However, when they are introduced into the deep tunnels, great challenges are encountered. In this study, the failure of surrounding rock mass in the field was presented and then the deformation and failure responses of surrounding rock mass were obtained during excavation by various advanced observation techniques. Based on the acquired information, this study analyzed the mechanical response characteristics of surrounding rock mass during excavation and lining at the operating period. Then we discussed the problems arising from the application of current modern monitoring methods. Six suggestions were put forward relating to the monitoring and testing design of the representative section in the deep tunnel. This study can provide helpful guidance to improve the design methods in similar projects.     

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。     

超大跨度深埋地下结构围岩压力计算研究

围岩压力是地下结构设计与施工的重要依据。新建京张城际铁路八达岭车站拟定备选方案之一的单拱超大跨设计方案中,最大的跨度近45 m。对于类似超大跨度的深埋地下结构,传统的围岩压力理论与经验计算方法都存在着明显的局限性,已经不再适用。而结合现场勘查资料和室内外试验成果的数值模拟方法,尽管可以得到相对精确的围岩压力计算结果,但存在着计算过程复杂、计算效率低下的不足。因此,在计算分析了多种传统围岩压力计算方法与数值模拟方法获得的围岩压力所存在差异的基础上,对Q系统的围岩压力公式引入跨度项进行了修正,从而获得了能够快速估算超大跨度深埋地下结构围岩压力的估算方法。最后对不同跨度工程的围岩压力进行估算,并与监测值进行比较,对比结果良好。该方法不仅可以为工程设计人员及现场工作人员提供设计计算依据,还可为相关研究人员提供理论参考。     

不同倾角多层节理深部岩体开挖变形破坏规律模型试验研究

深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有不同倾角的多层节理的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明：裂隙倾角较小时,隧道上、下侧围岩主要发生大变形,左、右侧围岩呈现分层破裂现象,随着裂隙倾角增大,破裂区从洞室左、右两侧逐渐扩展到洞室全周,顶部岩体越容易发生大体积滑塌;隧道围岩由内向外应力和位移值呈波动状分布;洞周塑性区范围随裂隙倾角增大而增大,裂隙倾角越大,洞周塑性区越容易与洞室上、下侧裂隙面连通。该研究为保障深部工程的安全修建与运营提供了试验基础。     

基于数字散斑技术的深埋隧道围岩岩爆倾向相似材料试验研究

利用相似材料模拟方法,借助数字散斑观测技术,对深埋隧道围岩岩爆倾向进行试验研究。分析考虑材料强度、开挖速度和支护作用影响下的岩爆发生和破坏规律,寻求岩爆发生与深埋隧道变形破坏之间内在的联系。试验结果与现场实际发生岩爆强度较高的岩石类型花岗岩、闪长岩等相比,破坏特征相似,且围岩强度越高,岩爆发生可能性越大;在高地应力状态和完整岩体中开挖速度对岩爆的发生影响较大;锚网支护对隧道围岩变形有一定的控制作用,也可一定程度上避免岩爆发生。支护试验结果与现场实际支护效果一致,随支护强度提高,隧道抵抗力增加,整体变形减小、稳定性提高。所得试验结论为深埋隧道的合理设计和安全开挖提供技术指导和理论依据,对革新深埋隧道开挖技术和支护技术具有重要的意义     

岩溶区隧道围岩--支护体系稳定性研究

岩溶是地下水地质作用的过程和结果，是隧道建设面临的不良地质现象之一。正在建设中的某高速公路隧道出口段岩溶地质作用强烈，溶隙、孔洞发育，且受构造变形及后期淋滤溶蚀作用强烈，力学强度低，岩性复杂。其角砾状粘土岩和水云母粘土岩多已泥化成粘土，遇水易膨胀。岩溶区隧道围岩——支护体系的稳定性是该隧道建设面临的主要问题。文章结合隧道施工过程中的围岩变形监控量测和三维弹塑性有限元数值仿真模拟对隧道围岩——支护体系的稳定性进行了研究。围岩水平收敛和拱顶下沉位移及速率变化特性表明，在监测时段内隧道围岩无趋于稳定的迹象。施工动态力学数值仿真模拟表明，在初期支护条件下，围岩出现了较大范围的塑性破坏区，两隧道之间(间距45．0m)围岩破坏接近度达到0．70，最大竖向位移达到3．0mm，表明隧道全断面施工时，两隧道相互作用影响程度较大。为确保隧道围岩——支护体系的稳定，选择合理的施工方法，制定切实可行的支护方案提供了信息。     

金川矿区深部巷道开挖损伤数值模拟研究

在地下深处开挖巷道会诱发应力的急剧调整,无疑会使围岩产生不同程度的损伤。开挖的动态作用虽然持续时间较短,但造成的损伤为后续时效变形和工程扰动影响下的失稳破坏提供了基础条件。为了能够得到开挖作用引起的金川矿区深部巷道损伤区演化规律,从而对巷道损伤破坏进行针对性的防治,本文基于矿区的实际巷道埋深和岩体结构种类,采用等效开挖模拟方法和非均质模型进行了巷道开挖损伤问题的数值模拟研究。模拟结果揭示了在不同水平和岩体结构条件组合情况下开挖损伤区的演化过程和规律。根据研究区巷道的损伤破坏规律,本文提出了深部巷道开挖损伤演化的5种模式,并揭示了各种模式的诱发条件、表现特征、力学机制及发展趋势。相关认识和结论期望为理论和工程实践提供一定的借鉴和参考。     

小净距公路隧道支护时机对围岩稳定性影响研究

随着西部高速公路的大规模建设,受地形和施工场地的限制,小净距隧道已越来越多地在工程实际中使用。由于小净距隧道施工工艺复杂,围岩变形和破坏机理也较为复杂,隧道的施工和支护时机对围岩和支护结构的稳定性影响很大。结合正在施工的沪－蓉－西高速公路漆树槽分岔隧道小净距段的施工特点,开展隧道在不同荷载释放比例下不同支护时机对围岩稳定性影响的研究。研究结果表明：支护越早,衬砌和锚杆承担的荷载越大,围岩的塑性变形和塑性区范围越小。及时施作二次衬砌,可以显著控制岩柱部位的变形,改善围岩的应力状态。研究成果将对同类条件下小净距隧道的施工和设计具有指导意义。     

岩溶隧道开挖对溶洞处治结构影响的数值模拟分析

结合清连高速公路白须公特大岩溶隧道施工过程,采用三维有限元软件(ANSYS)对白须公隧道的处治结构与隧道开挖的相互作用进行了数值模拟。以隧道开挖中处治结构和围岩稳定性为研究对象,从而分析处治结构在隧道开挖过程中的受力特性,以及隧道围岩在隧道开挖过程中的位移。通过计算结果,对处治结构在岩溶隧道中的支护效果进行了评价,采用桩-承台-单边支撑墙-联系梁的处治方式是安全可靠的。在隧道开挖过程中,开挖面附近的桩基应变、支撑墙压力都加速变大,随后逐渐稳定,说明处治结构承担了一部分围岩压力,在岩溶隧道施工开挖中发挥了重要作用。分析结果与工程实测数据比较吻合,可为隧道穿越大型溶洞提供设计和施工方面的借鉴和参考。     

高地应力条件下深埋洞室围岩损伤区孕育机制

随着人类地下空间开发活动逐渐走向地球深部,高地应力已成为地下岩体工程典型的地质特征之一,并严重影响深埋洞室围岩的安全稳定。本文首先分析了我国地应力场分布规律,然后分别采用理论计算和数值模拟方法,研究了地应力准静态卸荷及瞬态卸荷条件下围岩损伤的产生机理与演化规律,最后结合加拿大URL地下实验室及锦屏二级水电站深埋引水隧洞围岩损伤检测结果,进一步探讨了高地应力条件下不同卸荷方式对围岩损伤区形成及特征的影响。研究结果表明:与地应力准静态卸荷相比,瞬态卸荷会在围岩中产生一个附加动应力,从而放大围岩径向卸载和环向加载效应,使得围岩更容易受损;随着侧压力系数的增大,瞬态卸荷和准静态卸荷诱发的围岩损伤范围均增大,并且在最小主应力方向上围岩损伤主要表现为剪切破坏,而在最大主应力方向上主要表现为拉破坏。