考虑卸荷效应的深埋隧洞围岩分区破坏数值模拟

基于卸荷岩体力学基本理论,运用三维有限差分软件,提出以塑性体积应变增量变化区间与不同卸荷区域岩体力学参数相对应的卸荷模拟方法,模拟了不同侧压系数条件下开挖洞周附近围岩最大体积应变增量以及围岩损伤范围的变化情况。数值模拟结果表明：当侧压系数较低时,洞周附近围岩的塑性体积应变增量区域的外边界近似为竖向椭圆形,随着侧压系数的增大,其外边界逐渐向圆形变化,最后变为横向椭圆形。侧压系数越大,围岩的卸载效应越显著,洞周附近围岩的塑性体积应变增量就越大,其所产生的围岩损伤范围也相应越大。利用所获得的结果,可以为深埋隧洞的稳定性分析以及支护设计提供依据。     

板裂化模型试样失稳破坏及其裂隙扩展特征的试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞大量岩爆案例表明板裂化围岩的失稳破坏与岩爆之间具有很强的相关性。采用高强石膏配制满足板裂化围岩结构特征的硬脆性模型试样,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验研究板裂化模型试样的失稳破坏过程、强度与变形特性及其裂纹扩展特征。研究表明,（1）板裂化模型试样失稳破坏过程表现出应变型岩爆的特征,其典型的破坏过程为预制裂隙尖端张拉裂纹的萌生与扩展-试样劈裂成板-岩板屈曲变形-岩板压折、岩片弹射;（2）与完整试样相比,含1条、2条、3条预制裂隙模型试样的峰值强度、弹性模量均呈现稳定下降的趋势,而峰值轴向应变则是先减小后增大;（3）试样预制裂隙尖端张拉裂纹的产生会造成：相邻预制裂隙尖端横向应变值的突变、试样侧向变形量的突增以及侧向变形速率的显著增大;（4）临空面附近的预制裂隙,其尖端产生的张拉裂纹在很短的时间内便会失稳扩展,并造成试样的失稳破坏。最后,分析试样变形破坏过程中的声发射特性。研究结果对于揭示深埋硬岩隧洞板裂化围岩的失稳破坏规律、岩爆的发生机制具有重要意义。     

深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟研究

为了深入认识深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的发生机制,利用花岗岩材料加工含预制矩形孔洞（40 mm×40 mm）的立方体试样（100 mm×100 mm×100 mm）,并采用TRW?3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机进行了模拟试验研究。模拟试验中首先以深部1 000 m的地应力条件作为初始加载应力状态,保持孔洞径向和轴向的水平向应力不变,然后在竖直向加载直至孔洞两侧洞壁围岩发生破坏,并保证试样整体始终处于稳定状态。加载过程中利用岩样内部结构破坏实时视频监控系统,进行全程的实时记录和监测。试验结果表明,在竖直向为最大主应力和水平轴向为中间主应力的情况下,矩形孔洞两侧洞壁围岩整体发生明显的板裂破坏,破坏区域呈对称状,而顶板和底板始终保持稳定状态。侧壁围岩的破坏方向平行于竖直向,呈现典型的张拉板裂状破坏特征。整个破坏过程划分为平静期阶段、洞壁两侧上下肩角处颗粒弹射阶段、侧壁围岩裂纹扩展阶段和裂纹贯通板裂破坏阶段。当进入到裂纹贯通板裂破坏阶段时,无论是加载还是保载过程,板裂破坏都可能持续发展。试验过程中,试样洞壁两侧围岩的板裂破坏整体上呈现静态破坏模式,而且破坏区域沿水平方向逐渐向洞壁深部发展,最终形成沿轴向的贯穿型对称弧形槽。     

深埋隧洞微震活动区与岩爆的相关性研究

基于锦屏二级水电站深埋引水隧洞和排水洞大量微震监测数据及上百个不同等级岩爆实例,研究了深埋隧洞微震活动区与岩爆之间的关系。研究结果表明：（1）微震活动分布范围主要介于掌子面后方3倍洞径至前方1.5倍洞径之间,而岩爆高发区位于掌子面后方3倍洞径以内,表明岩爆高发区与微震事件主要分布范围相吻合;（2）隧洞工程岩爆潜在风险重点关注区域是掌子面后方3倍洞径已开挖范围,以及掌子面前方1.5倍洞径施工范围;（3）微震事件及岩爆分布呈区域性集结特点,其中一部分岩爆发生于微震事件集结区内部,另一部分岩爆发生于微震事件集结区边缘,这是岩体破坏过程中所固有的现象,与微震事件集结区边缘局部应力集中密切相关。     

红层软岩隧洞围岩变形破坏机制研究

红层软岩的物质组成、化学成分、物理力学性质等方面在国内外已有较系统的研究,但对软岩隧道围岩的变形破坏机理及其治理一直是工程技术人员关心问题。通过对回龙宫隧洞的地质环境分析及有限元数值计算,阐明了红层隧洞围岩的膨胀变形破坏机理,最后提出了在此类围岩中修建水工隧洞的过程中,防止围岩变形破坏的建议。     

开挖断面曲率半径对高应力下硬脆性围岩板裂化的影响

围岩板裂化是深埋高地应力条件下硬脆性围岩开挖后出现的一种典型破坏形式。影响围岩板裂化形态和形成机制的因素很多,开挖断面的曲率半径是其中的关键因素之一。为了研究开挖断面曲率半径对深部硬脆性围岩板裂化的影响,首先总结、分析了锦屏二级水电站深埋隧洞不同开挖断面曲率半径所对应的板裂化形态和特征。在此基础上,设计了室内物理模型试验,研究不同孔径的圆形洞室和不同尺寸的直墙拱洞室在平面应变条件下的板裂化破坏形态。研究结果表明,开挖断面的曲率半径对围岩板裂化的影响机制表现在尺度效应和结构效应两个方面,影响着板裂化的破坏形态和破裂机制,当同一洞室断面包含不同曲率半径段时,板裂化破坏表现出曲率半径影响下的组合破坏特征。最后,利用数值模拟结果分析和验证了开挖断面曲率半径对围岩板裂化的影响效应。     

红层软岩隧洞围岩变形破坏机制研究

红层软岩的物质组成、化学成分、物理力学性质等方面在国内外已有较系统的研究，但对软岩隧道围岩的变形破坏机理及其治理一直是工程技术人员关心问题。通过对回龙宫隧洞的地质环境分析及有限元数值计算，阐明了红层 隧洞围岩的膨胀变形破坏机理，最后提出了在此类围岩中修建水工隧洞的过程中，防止围岩变形破坏的建议。     

基于快速应力释放的深埋隧洞岩爆防治对策研究

大型地下工程开挖中,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而产生岩爆。岩爆作为常见的一类动力失稳地质灾害现象,极大地威胁着现场施工人员和设备的安全。作为雅砻江锦屏二级水电站的主要工程,千米级埋深的引水隧洞也面临高地应力下硬岩岩爆问题。针对锦屏二级引水隧洞岩爆的特点,提出采用快速应力释放的方法防治岩爆,并采用数值模拟的方法优选了倾斜辐射爆破孔方案。数值模拟结果表明：该方法能使岩体内的初始应力快速卸荷,同时使应力集中区向岩体深部转移。通过在锦屏二级引水隧洞工程中的试验与运用,采用声波测试法对实施快速应力释放方案的效果进行检验,验证了快速应力释放方法防治岩爆的有效性。研究成果为解决类似工程岩爆防治问题提供了理论依据和借鉴。     

深埋隧洞钻爆开挖围岩振动频率特性研究

针对深埋圆形隧洞全断面毫秒延迟钻爆开挖,通过建立开挖面上地应力瞬态卸荷与爆炸荷载激发围岩振动的理论计算模型,并结合实测振动信号分析,研究了影响围岩振动频率的因素及其频谱特性。研究结果表明,瞬态卸荷持续时间、爆炸荷载上升时间和开挖面大小是影响深埋隧洞钻爆开挖围岩振动频率的主要因素;在爆源近区围岩振动以爆炸荷载作用为主,但爆炸荷载上升时间远小于瞬态卸荷持续时间,由此导致爆炸荷载激发振动的频率高,其质点峰值振动速度衰减快,在中远区地应力瞬态卸荷可成为引起围岩振动的主要因素;瞬态卸荷与爆炸荷载共同作用产生的振动具有两个优势频带,其低频成分主要由瞬态卸荷引起,而高频成分主要由爆炸荷载引起。     

DBQ系统——深埋隧洞软弱围岩分类方法

以巴顿岩体质量分类体系Q系统为基础,考虑高地应力和低外水压力对软弱围岩的影响,建立DBQ软弱围岩分类系统。在现场地质调查和参数收集的基础上,把该系统应用到丹巴某深埋隧洞已开挖洞段。结果表明其适用性良好,为该隧洞软弱围岩快速准确分类及支护设计提供了依据。     

圆形巷道围岩层裂或板裂化的等效连续介质模型及侧压系数的影响

为了避免均质和非均质模型不能较好地模拟围岩的层裂或板裂化现象,将岩石视为等效连续介质,即颗粒体材料。颗粒被视为弹性材料,而颗粒之间的界面破坏后被视为摩尔-库仑材料。颗粒和界面均被离散为正方形单元。采用FLAC研究了不同侧压系数时圆形巷道围岩中的剪切应变增量、最小、最大主应力等的分布规律。研究发现,颗粒体材料模型在压应力作用下诱发出的拉应力值接近于在模型边界上所施加的最大压应力,而最大压应力是所施加的最大压应力的数倍。这些结果意味着均质和非均质模型的计算结果是偏于不安全的。另外,最小主应力和剪切应变增量的等值线图均显示,这些量的高值区的距离大致相等,这与V形岩爆坑内的板裂化现象类似。围岩层裂现象的原因是环向的高压应力和径向的高拉应力的共同作用的结果。     

深隧道围岩稳定性的数值模拟与模型试验研究

在大型真三轴模型试验机上进行隧道的超载试验,试验过程中采用内窥摄影实时监测试件的破坏演化全过程,确定了高应力条件下隧道的变形特征和裂纹演化特征;采用应变测量技术对隧道关键部位的应变值进行了测量,据此分析了围岩体的应力变化规律。针对相似材料的力学特性,建立了应变软化模型,采用与模型试验相同的边界条件进行了数值模拟分析,对围岩体的塑性应变变化过程和应力场进行了研究。结果表明,两种手段反映的破坏演化过程是基本吻合的,所反映的围岩体应力变化规律也是一致的。     

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     

深部硬岩矿山岩爆风险防控技术研究进展

为了解深部硬岩矿山岩爆风险防控技术研究进展,对国内外相关文献进行了归纳总结。首先,从事前避免岩爆产生、事中降低岩爆危害及事后规避岩爆伤害等3个角度提出了岩爆风险防控的总体思路。然后,根据该思路归纳了岩爆防控的技术类型,并详细分析了各技术的内涵及其防控岩爆的机制。最后,对岩爆风险防控技术的未来发展方向进行了展望。结果表明：现有深部硬岩矿山岩爆风险防控技术可归纳为采矿设计、卸压技术、岩层改性、岩体支护及人员暴露等5个方面。其中,采矿设计包括采矿方法、采场参数、矿柱留设、回采顺序、回采速率及空区处理;卸压技术包括卸压爆破、卸压槽、卸压巷、卸压孔及卸压缝;岩层改性包括水压致裂、约束爆破及注水软化;岩体支护包括表面支护、内部支护及组合支护;人员暴露包括再进入协议、远程设备及人员防护。未来可从不同类型及不同风险等级岩爆防控体系构建、新技术研发、防控时机及效果评估等方面建立深部硬岩矿山岩爆风险防控指南。     

深埋隧洞极强岩爆段隧道掘进机半导洞掘进岩爆风险研究

深埋隧洞TBM（隧道掘进机）全断面掘进时,在局部超高应力集中的完整硬脆性岩体洞段将直面极强岩爆的风险,设备和人员的安全将遭受极大的威胁。在锦屏II水电站3#引水隧洞极强岩爆段实施了“先半导洞+TBM联合掘进”实验,结合微震实时监测信息对TBM半导洞掘进的岩爆风险开展了研究。监测结果表明,（1）TBM半导洞掘进期间,日平均微震事件数、日平均辐射微震能、微震大事件数及实际岩爆发生次数和强度均远远低于TBM全断面掘进;（2）能量指数对数值和累积视体积的时域演化表明,TBM半导洞掘进强烈岩爆发生的风险远低于TBM全断面掘进,现场实际开挖也证明了这一点;（3）半导洞洞段微震事件的空间集结程度、总数、震级大小与能量辐射均远小于全断面洞段。因此,TBM半导洞掘进的岩爆风险远远低于TBM全断面掘进,在具有施工条件的情况下采用先半导洞预处理,然后TBM半断面掘进极强岩爆段,以期控制岩爆风险的方案是可行的。     

含水砂层隧道围岩失稳破坏机制及控制研究现状综述

饱和动态含水砂层的工程力学特性及隧道围岩的失稳破坏机制及稳定性控制是含水砂层隧道设计与施工中的重要课题。在回顾砂土应变局部化问题研究现状基础上,重点介绍了含水砂层隧道工程中隧道围岩稳定性问题的研究现状及存在的问题。提出了含水砂层隧道围岩渐进性失稳破坏过程中有待研究的问题,这将有助于含水砂层隧道设计与施工水平的提高。     

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。     

深部洞室围岩分区破裂化的冲击破坏机制研究

提出了深部洞室围岩分区破裂化的冲击破坏机制。即在岩体开挖引起的围岩应力重分布过程中,径向应力波波前产生应力不连续间断面,当波前应力降满足一定条件时,产生局部冲击破坏。根据弹性动力学理论,应用位移势函数,通过Laplace变换简化计算,推导了洞室开挖瞬间围岩径向应力场的动力学理论解,得到了发生各次分区破裂化时,波前径向应力降的统一计算公式。根据质点速度、间断面压力降,由动量守恒定律推导了围岩分区破裂化的冲击本构方程和破坏准则,得到了产生冲击破坏的间断面压力降临界值计算公式。给出了分区破裂形成后各破裂区半径的表达式,关系式表明,各破裂区之间存在等比关系,其等比值为 。