大型硬岩地下硐室围岩二次应力场特征弹脆塑性分析

结合某水电站硬岩地下厂房开挖,运用FLAC3D软件,对不同地应力环境中大型地下硐室开挖围岩的二次应力场的大小变化、分布特征及其对围岩稳定性的影响进行了三维弹脆塑性数值模拟分析。分析结果表明:①在低地应力环境中,顶拱浅部围岩1σ随开挖逐渐增大,2σ基本不变,3σ在顶拱开挖时迅速降低。而在较高地应力环境中,在顶拱开挖时,应力处于三向迅速卸荷状态;②无论在较高还是低应力环境中,边墙和底板浅部围岩的应力变化路径基本一致,开挖出露时,均处于三向卸荷应力状态;③较高地应力环境中的应力松弛区、集中区及围岩塑性区的分布范围和深度均比较低地应力环境中开挖要大(深);④开挖结束后,围岩的σ1平行于硐室轮廓线,而σ3指向开挖面;⑤硬岩大型地下硐室开挖,由于围岩浅部应力差迅速增大,岩体可能出现脆性破坏,甚至出现岩爆现象。     

某水电站坝区高地应力释放现象及成因研究

针对坝区特定的高应力条件下岩体的应力释放现象,包括岩芯饼裂和勘探平硐岩爆发育普遍的特征,在统计分析的基础上,从力源条件-区域构造背景和地质构造条件、能力存储条件-岩性特征和岩体结构条件、后期演化-能量释放、转换与调整等分析的基础上,结合坝区地应力场分布的特征阐述了坝址区高地应力成因,认为坝区高地应力释放现象是上述各因素综合作用的结果.为地下厂房开挖过程中的岩爆预测和控制提供了有力的参考依据.     

某水电站地下厂房硐室群岩爆预测与防治研究

拟建某水电站的大型地下厂房硐室群处于中等偏高的地应力环境中，在前期的勘探过程中已发现一些与岩爆密切相关的地质现象。因此合理地评价其开挖过程中岩爆发生的可能性、岩爆的烈度、分布范围以及相应的预测防治措施具有重要的工程意义。基于此，文章首先从岩爆发生的基本条件、地质宏观评价的角度对硐室群施工过程中岩爆发生的可能性进行了评估；然后，分别采用定性方法和工程地质类比法对该地下硐室群岩爆发生的烈度进行了评价；进而根据三维有限元模拟结果对岩爆发生的部位进行了圈定。最后，针对所研究的地下硐室群的具体情况，提出了相应的防治措施，即加强监测和超前预报，并采用以围岩弱化为主，围岩强化为辅的治理措施。     

莆炎高速公路文笔山2~#隧道岩爆综合预测研究

岩爆预测一直是地下工程世界性难题之一。以莆炎高速公路文笔山2#隧道岩爆预测为例,从研究区围岩的岩体特征和初始应力场着手,通过室内岩石力学试验和现场波速测试,获得隧道围岩的物理力学特性和完整性;采用水压致裂法实测研究区地应力的大小和方向,通过线性回归函数拟合分析了隧道洞身初始应力场分布规律,采用Kirsh概化模型计算分析了开挖后围岩重分布应力场分布规律。在此基础上结合国内外岩爆判别准则对文笔山2#隧道岩爆发生段落、部位和岩爆等级进行综合预测分析,为施工开挖和支护方案的制定提供依据。     

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。     

深埋隧洞不同开挖方式下即时型岩爆微震信息特征及能量分形研究

基于锦屏二级水电站深埋隧洞钻爆法及隧道掘进机（TBM）开挖过程中大量微震监测数据及不同等级的岩爆案例,对不同开挖方式下即时型岩爆的孕育及发生过程的能量释放展开研究,并运用分形几何原理研究微震能量分布的变化规律,得到以下结论：（1）即时型岩爆的孕育及发生过程中,岩爆区围岩岩体处于破坏加速集聚并不断扩展的过程;（2）钻爆法开挖过程中储存在岩体内的弹性应变能消耗于岩体破裂过程大于TBM开挖,而转化为岩体动能小于TBM开挖;（3）钻爆法开挖微震能量分形维度在即时型岩爆的孕育过程不断增加,岩爆临近前会增加到某个临界值以上;（4）TBM开挖即时型高等级岩爆能量分形维度值大于钻爆法开挖,并且其分形维度值可以反映低等级岩爆伴随发生的特征。     

周宁水电站交通洞地应力测量结果及局部岩爆分析

一、前言周宁水电站是正在建设中的一座大型高水头引水发电站。其可利用的水头落差达430多米,装机容量25万kW。厂房主交通洞高10m,宽12m。开挖到距洞口340m处时,在洞顶发生了岩爆,岩石发生崩落并伴有响声,给正在进行的施工工作带来一定的困难。同时工程技术人员十分关注围岩与洞室的稳定与安全,为分析岩爆的成因和洞室围岩中的应力状态,我们在岩爆部位以及地下厂房探洞内均进行了地应力测量。根据测量结果结合局部岩爆部位实地调查分析研究认为,发生岩爆的洞段是一个局部的高应力区,洞室开挖导致了围岩的应力集中,使得在应力调整—释放—平衡的过程中引发了岩爆。     

糯扎渡水电站1#导流隧洞三维非线性有限元开挖模拟分析

糯扎渡水电站1#导流隧洞开挖经过F3断层,开挖过程中,F3断层影响带附近的岩体力学参数直接控制着围岩的变形和应力分布。为了评判后续Ⅱ,Ⅲ层开挖围岩的稳定性,首先利用隧洞第Ⅰ层开挖的位移监测数据反演出F3断层附近围岩的岩体力学参数和初始地应力场;然后,利用反演得到的初始地应力场和岩体力学参数进行Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ层开挖模拟分析,得到了F3断层附近围岩的应力变形情况。计算结果表明：随着开挖的不断进行,隧洞F3断层周围岩体的约束逐渐解除,围岩的应力逐渐增大,隧洞周边的位移也不断增大,并且隧洞周围应力变形在F3断层中心区域有明显的错动现象,说明F3断层对隧洞的开挖影响比较大,有必要对此区域后期变形加强观测和分析。     

岩爆与峰后岩石力学特性

峰后岩石特性是产生岩爆的根本原因;地质力学因素是产生岩爆的外部因素。从地下工程开挖过程中围岩部分的能量释放、集聚、转移入手,揭示了高地应力是产生岩爆的重要外因;岩爆产生的时空特点是在破坏后塑性软化阶段,并从非线性岩石力学理论角度,研究了此阶段岩爆条件。得出以下结论：一是块系结构岩体变形稳定性与块体几何特性、尺度大小,以及破坏后物理性质有关;二是判断岩体是否发生岩爆,可采用： 和 < 判据。     

岩爆破坏过程能量释放的数值模拟

岩爆是地下岩石开挖中的一种工程灾害现象,是岩体结构发生破坏时,由于内部储存的弹性能释放并转换为动能而造成动力形式的破坏。岩爆破坏过程中的能量释放与岩体在应力峰值前后的应力-应变特性紧密相关。另外,施工中开挖速度引起的加载速率的变化也会对岩爆的产生有明显影响。以岩体全过程应力-应变曲线试验为基础分析岩爆破坏过程。分析中采用的模型考虑了岩石峰值后应力-应变特性及加载速率的影响。运用数值方法对岩石洞室的开挖过程进行了模拟,在模拟中对岩体破坏的发生及弹性能释放过程进行了分析。数值分析结果显示,岩体洞室开挖过程中岩石破坏由岩体表面向岩体内部发展,岩石的弹性能释放率也随着破坏的发展而不断增加。分析结果还显示,岩体破坏时的弹性能释放速率会随着开挖速率的提高而明显增加。     

西南地区某隧道围岩岩爆预测研究

岩爆预测一直是地下工程领域中的世界性难题。本文以西南某隧道工程为例,从岩爆形成的3个条件:岩石岩爆倾向性、岩体完整性和高地应力环境3个方面着手,应用最大储存弹性应变能指标Es和岩石脆性系数B,对深埋隧道区段内可能发生岩爆的石英砂岩、灰岩岩体进行岩爆倾向性分析预测; 基于地应力测量数据资料,采用地质过程动态模拟的有限元分析方法,反演分析隧道工程区岩体地应力场,对隧道高应力区段作出判断; 根据现场所取样品试验结果综合分析隧道围岩的物理力学性质、岩石单轴抗压强度等。在分析和总结前人岩爆预测预报方法的基础上,以工程地质分析为基础,详细阐明隧道岩爆发生的条件,并以岩体力学和非线性科学理论为指导,采用地质综合分析、应力强度比法对隧道可能发生岩爆的部位及其强度进行综合预测。     

小湾水电站低高程坝基开挖卸荷松弛机理试验研究

小湾电站低高程坝基开挖过程中,表层岩体卸荷松弛强烈,主要形式有沿已有裂隙地错动、张开和扩展,及因新生破裂而松弛。后者主要包括:葱皮现象、板裂现象和岩爆现象。试验测试表明,开挖面附近微新岩石为坚硬极坚硬岩石,但其初始损伤明显,其损伤发展启动应力在5.2~12.4MPa之间,抗拉强度在3~6MPa之间,这是坝基表层岩体卸荷松弛强烈的物质基础;坝基面爆破开挖的应力集中和爆炸作用影响是坝基岩体卸荷松弛强烈的岩石力学环境条件。     

圆形硐室岩爆的折迭突变模型

均匀围压下圆形硐室岩爆是传统意义上的软化区内岩环经过塑性变形局部化阶段完成的。当处于极限状态的塑性变形集中区承载能力下降时, 岩环中相对完好部分以弹性方式卸载,当后者释放的弹性能超过前者塑性变形所耗散的能量时便发生岩爆。简捷地通过等效应力 和等效应变 关系建立突变模型对硐室岩爆进行了分析, 将状态变量 用软化区半径 来表示。分析表明: 岩爆发生条件与硐室岩体的升降模量比 和岩体裂隙发育程度 的乘积有关; 对于特定冲击倾性的岩体,存在对应的临界软化区深度 , 即软化区深度达到 时便发生岩爆;还给出硐室岩爆释放地震能等计算式,岩爆释放的地震能量级则与硐室软化区深入程度有关。     

基于CDEM的隧道卸压爆破及岩爆抑制效应模拟

硬岩隧道开挖过程中的岩爆灾害与隧道围岩的应力状态密切相关，卸压爆破可减缓围岩体应力集中程度，是一种直接有效的岩爆防治措施。以巴陕高速公路米仓山隧道岩爆段卸压爆破为例，运用GDEM-BlockDyna(块体动力学仿真系统)软件进行考虑高地应力和岩体非均质性条件的隧道分步开挖数值模拟分析；将卸压爆破作为唯一变量，进行了两组方案(是否进行卸压爆破)的数值模拟对比分析，并结合微震监测数据，对隧道围岩卸压爆破效果进行检验。结果表明:在隧道围岩分步开挖过程(未进行卸压爆破)的模拟中，围岩出现起裂损伤，应力集中和局部裂纹贯通等现象，并可能诱发岩爆灾害；在围岩卸压爆破条件下，围岩应力集中以及损伤程度有所降低，岩爆风险得到抑制。对比两组模拟结果，损伤均集中于拱顶及拱底，损伤半径比值(卸压/未卸压)分别为3.4倍(拱顶)、1.47倍(拱底)，损伤体积比值(卸压/未卸压)为5.36倍，但区域最大损伤量值从1(未卸压)降低到0.6(卸压)，且围岩应力峰值降低约5 MPa，应力梯度降低0.8 MPa ·m-1，表明围岩仍具有自稳能力，岩爆发生风险降低。相关结果可为隧道高地应力围岩段实施卸压爆破和合理设计卸压爆破方式提供理论依据。     

关于脆性岩体岩爆成因的理论分析

大型工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能,产生岩爆。针对这类岩爆现象进行了一系列理论探讨,认为:(1)开挖条件下脆性岩体的岩爆破坏主要为张破裂或者张剪性破裂,破裂角一般较小,呈薄片状或刀口状。笔者认为开挖产生次生张应力和压剪应力条件下微裂纹裂尖出现张应力是可能的,因此采用格里菲斯强度理论研究开挖岩体破裂是有效的;(2)以格里菲斯强度理论为基础,分析了岩体在二维和三维情形下的岩爆破裂应力判据和破裂角,指出在有张应力的条件下,岩体的剪破裂角会减小,直至为零,这就解释了开挖面附近薄片状、刀口状破裂现象的原因;(3)分析了脆性岩体岩爆破裂的能量过程,指出张性破裂所耗能量较小,而张剪性和压剪性破裂耗能较高。认为岩爆破裂消耗的能量主要转化为新生裂纹的表面能和破裂碎片的动能,并指出表面能所占比例较动能为小。由此解释了脆性岩体岩爆破坏以动力效应为主的特征;(4)本文理论分析成果的工程应用价值在于:可以预示开挖脆性岩体破裂部位、破裂方式和破裂范围;提出岩爆破裂的张性应力控制依据。     

运用Hoek-Brown经验准则分析圆形硐室围岩弹塑性应力和位移

Hoek-Brown经验准则能够较容易地用来估计节理岩体的强度,在岩石工程界已得到广泛的应用和认可。只要用定量指标合理地描述岩体质量,就可确定岩体的强度,因此Hoek-Brown经验准则为通过岩体质量评分评价岩体稳定性架起了一座桥梁,并对需要采取的加固支护措施提出建议。地下硐室开挖后改变了岩体的初始应力状态,围岩应力产生应力重分布现象。当硐室周边围岩应力状态超过岩体弹性极限状态而进入塑性状态时,塑性区内岩体的应力满足极限平衡条件。本文简单回顾了当侧压力系数为1时,圆形硐室围岩的弹性应力和位移,在此基础上以Hoek-Brown经验准则为极限平衡条件,得到圆形硐室轴对称平面应变问题的围岩弹塑性应力和位移的分析解。     

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     

深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机（TBM）开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明：TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现“变形不协调”现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度（FAI）指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明：开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM在复合地层施工可采取重点部位监测预警、提前采取相应措施等手段,减少或避免卡机事故的发生。该研究成果对于指导复合地层TBM施工具有一定的借鉴和指导意义。     

双江口水电站地应力特征及岩爆成因分析与防治建议

在西南山区,受新构造运动影响,部分岩体中地应力较高,因此在地下洞室开挖过程中经常遇到岩爆现象。本文在双江口水电站前期勘测资料的基础上,结合筹建期开挖1#导流洞岩爆发生的规律,经过统计分析,总结了双江口水电站地应力分布特征及岩爆成因,提出了防治建议。     

基于超剪应力控制的岩爆防治措施研究

简要介绍了断裂型岩爆的超剪应力理论,初步讨论了爆破开挖扰动对超剪应力的影响,并从控制超剪应力的角度建议了相应的岩爆防治方法,给出了工程实例。研究表明,开挖动态扰动将使断裂两侧岩体在较低的超剪应力条件下就产生滑动,另外,高地应力条件下爆破开挖过程中地应力动态卸载扰动可以引起围岩中动态剪应力的增大,直接增大超剪应力,这两种情况都可能导致岩爆的发生。因此,可从控制爆破扰动的角度来控制岩爆的发生,具体措施有炮孔合理布置、起爆网络的优化和加强支护。