浅埋红层软岩隧洞围岩变形特征试验研究

红层软岩隧洞围岩变形破坏特征及其治理一直是工程界关心和亟待解决的问题.以某工程试验平硐为基础,利用隧洞围岩收敛变形监控量测及二次应力场测试,获取隧洞围岩动态综合信息,研究浅埋红层软岩隧洞无支护条件下,围岩的收敛变形和应力变化特征.结果显示,浅埋红层软岩隧洞收敛变形和二次应力之间有较好的对应关系,即较高应力对应较大的收敛变形,同时收敛变形和二次应力与埋深有较好的对应关系,且红层软岩在埋深较浅的条件下也具有流变性.在埋深较浅时,隧洞围岩与上覆岩层的接触关系会影响隧洞的应力状态及开挖后的收敛变形特征.     

千米深埋隧洞高地应力稳定分析及其工程应用

在深埋隧洞勘察设计和施工过程中,高地应力的存在,是影响洞室稳定的重要因素。作为南水北调西线隧洞的天然试验工程,引大济湟工程的千米埋深引水隧洞也面临高地应力下硬岩岩爆和软岩塑性变形问题。根据引大济湟工程地勘资料,拟定硬岩和软岩的典型物理力学参数。应用ANSYS有限元分析程序对围岩进行稳定性分析,在重力地应力场和全地应力场下,按线弹性法和弹塑性法计算,分析比较得到了不同埋深条件的硬岩和软岩的变形分布特性、最大拉应力分布特性、最大压应力分布特性及可能岩爆区和塑性变形区分布、剪切破坏区分布。分析成果较好地应用于引大济湟工程实践,同时也反应出施工阶段的跟踪复核的重要性。     

峡口高地应力软岩隧道施工监测及支护对策研究

针对高应力软岩公路隧道的特点,对湖北宜巴高速公路峡口隧道开展了地应力测试、隧洞收敛下沉、接触应力、结构受力等项目的监测工作。地应力测试结果表明,虽然隧洞埋深不大,但由于构造应力的存在,仍属于高地应力区。施工监测结果表明,高应力软岩隧道变形与结构受力具有明显的时空效应,与开挖方式、工作面距离以及支护时机密切相关。由于隧洞围岩软弱破碎,加之处于高应力作用下,在工作面通过后,岩体产生持续性的流变变形,导致隧洞产生挤压大变形和结构受力的持续增加,达到支护结构强度极限,最终导致围岩失稳和支护体系的失效。基于上述研究成果,提出了相应的高应力软岩大变形支护设计对策。研究成果为高应力软岩隧道变形与结构受力的时空效应性提供了监测数据支持,为峡口隧道的施工和支护设计提供了依据,对我国西部其他高应力软岩公路隧道的建设具有借鉴意义     

考虑膨胀应力和剪胀的深埋隧道弹塑性解

基于湿度应力场理论,推导了考虑膨胀应力和剪胀特性的圆形隧道开挖后围岩力学响应的弹塑性解。将隧道软弱围岩遇水膨胀现象视为湿度-应力耦合过程,基于Fick第二定律,推导了圆形隧洞围岩内湿度扩散非稳态解。采用非关联流动法则,获得了隧道高膨胀势区的应力和位移解答。以两种不同质量岩体开挖的隧洞为例,分析了膨胀围岩应力和变形的影响因素。结果表明,考虑膨胀应力（取决于围岩含水率变化和湿度膨胀系数）时,塑性区扩大,松动圈厚度增加,应力收敛变慢。当膨胀应力增大到一定程度时,塑性区将出现拉应力区。膨胀岩隧洞开挖遇水作用,膨胀应力增加的围岩变形远大于地应力引起的围岩变形。同时,应力剪胀对膨胀性围岩的变形影响不容忽视,尤其是在支护抗力较小的情况下,洞壁处径向位移增加显著。     

高地应力下深埋隧洞软岩段围岩时效特征研究

“引大济湟”调水总干渠输水隧洞埋深大,地应力较高,其中穿越的洞段Ⅳ、Ⅴ类围岩占有较大的比例,在高地应力作用下围岩开挖卸荷后极可能出现大变形失稳、垮塌等,这些都极大地影响着TBM的掘进效率及施工进度。根据洞室开挖过程中实际揭示的围岩地质条件及变形特征,采用三维黏弹塑性数值方法,对围岩的流变特性与时效变形进行研究;在对实测地应力场进行分析基础上,结合围岩现场变形规律,对围岩蠕变力学参数进行了反演,进而对隧洞开挖区域的软弱围岩进行黏弹塑性数值分析,获得了规律性认识,为动态调整设计提供科学依据。     

引汉济渭秦岭输水隧洞越岭段主要工程地质问题

引汉济渭秦岭隧洞位于秦岭西部山区,隧洞自南向北,横穿秦岭山脊,岩浆活动频繁,褶皱形态复杂,断裂构造发育。隧洞埋深大,地质条件复杂,工程地质问题突出,本文着重分析和论述了对工程有重大影响的几个关键地质问题,即高地应力与岩爆问题、高地温与热害问题、放射性问题、围岩稳定问题、隧洞施工涌(突)水、涌泥问题、软岩变形问题等问题。     

金坪引水隧洞围岩变形稳定性评价

金坪引水隧洞埋深较大,部分洞段岩体强度较低,洞室开挖后由于二次应力的作用围岩有可能产生变形,因此合理的评价隧洞围岩变形稳定性问题具有重要的工程意义。鉴于此,文章针对金坪引水隧洞围岩变形稳定性问题,对隧洞在大埋深环境下的围岩应力分布特征进行了数值模拟分析,利用与围岩的应变率和岩体抗压强度相关的两种评价方法,分析了可能发生围岩变形的部位和洞段,对引水隧洞围岩变形稳定性做出了综合评价。     

软弱围岩中偏压隧道的剪胀特性研究

在偏压情况下对不同埋深的4车道和2车道偏压公路隧道建立其力学模型,研究其松动围岩力学特征。在考虑应力剪胀对隧道围岩的影响后,计算出洞周围岩位移、收敛比。研究结果表明：对于相同的条件,4车道偏压公路隧道的围岩剪切破坏带比2车道更容易与地面贯通;随着剪胀角的递增,围岩位移矢量和隧道拱顶下沉量逐渐减小,拱脚水平位移逐渐增大;大跨度隧道围岩位移受剪胀角的影响比小断面隧道显著。     

某深埋长隧地应力演化及围岩应力位移模拟研究

结合西部地区某深埋长大公路隧道信息化施工 ,对深埋长隧地应力演化及围岩应力位移进行了弹塑性有限元数值模拟研究。研究结果表明 ,隧道轴线现代地应力状况与隧道埋深、地层岩性及构造发育程度有关 ,最大地应力为40 0MPa左右 ;隧道周边围岩应力在曲边墙底部最大 ,约 3 8 0MPa ,隧道开挖引起的围岩应力影响范围约 2 5 0m ;隧道水平收敛和拱顶下沉位移与隧道埋深近于成直线关系。这些研究结果为深埋长隧信息化设计和施工以及围岩稳定性分析提供了科学依据。     

滇藏铁路香格里拉—邦达段地应力状态及工程效应分析

滇藏铁路香格里拉—邦达段沿线断层发育,构造运动强烈,为提高沿线工程的稳定性,基于构造形迹、震源机制解和实测数据的多元综合分析法,对研究区主应力方向进行了分析;基于Hoek-Brown强度准则和修正的Sheorey理论,结合实测数据,对研究区岩体强度参数和主应力量值进行了估算和预测,最后对研究区的地应力场特征及其工程效应进行了分析。结果表明:香格里拉-德钦应力区的水平最大主应力方向N0°W~N40°W;芒康-邦达应力区的水平最大主应力方向为N60°E~N80°E;铁路沿线埋深1000 m处,水平最大主应力范围为24.23~37.30 MPa;埋深2000 m处,水平最大主应力范围为47.29~66.69 MPa;香格里拉-德钦应力区隧道轴线设置为N80°W~N40°E有利于围岩稳定,芒康-邦达应力区隧道轴线走向设置为N10°E~N130°E有利于围岩稳定;铁路沿线高地应力显著,埋深超过400 m就可能处于高地应力状态,硬质岩埋深超过700 m会有岩爆风险,软质岩埋深超过1400 m会有大变形风险。     

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。     

锦屏二级水电站交叉隧洞围岩稳定性分析

锦屏二级水电站引水隧洞具有埋深大等复杂的地质情况,因此在已有隧洞的基础上开挖与之相交的主隧洞,主隧洞（特别是在交叉部处）围岩性质弱化并且围岩自身稳定性降低。因此结合高地应力区深埋隧洞工程,通过3D弹塑性有限元数值仿真模拟,并且通过模型试验,分析围岩在开挖中的应力释放及应力分布规律,为深埋隧洞交叉段监控量测系统的设计、施工方案优化及安全控制提供依据。     

锦屏水电站引水隧洞大理岩卸荷变形特性试验

锦屏水电站属于国家重大工程。其引水隧洞洞线长、洞径大、埋深大,围岩岩性组合复杂,断裂构造发育,特别是该区为高地应力区。隧洞的开挖过程,就是围岩的卸荷过程。通过对大理岩在保持轴向应力不变的条件下的卸围压试验的分析,讨论了卸围压时围压与弹性模量、泊松比、轴向应变的关系,得出了卸围压时大理岩的轴向变形呈非线性特性的结论。     

隧道底板渐进破裂碎胀大变形：一种新的底鼓机制研究

底鼓是深埋高应力软岩隧道常遇灾害,现有底鼓力学机制忽略了隧道开挖导致的围岩应力释放、应力转移和应力集中现象,仅对初始地应力状态进行了分析。因此,鉴于有限元-离散元耦合数值方法（finite-discrete element method,简称FDEM）在模拟岩体材料弹塑性连续变形和断裂失效非连续变形以及破碎块体接触方面的优越性,采用FDEM数值模拟方法研究了隧道底板渐进破裂碎胀大变形演化机制,并研究了地应力侧压系数、围岩体抗拉强度和底板位置对底鼓机制的影响。结果表明：（1）隧道底板底鼓力学机制为围岩的破裂碎胀性大变形,可简述为隧道开挖导致径向应力降低、切向应力升高,当升高的切向应力超过岩体强度时便产生共轭剪切破裂并伴随拉伸断裂,最大切向应力不断向深处完整围岩演化直至与岩体强度达到极限平衡状态,剪切裂隙也随之不断向深处扩展,深部块体推挤浅部块体向隧道空间移动并产生大量空隙,发生体积膨胀现象,造成底鼓灾害;（2）根据地应力侧压系数和围岩体抗拉强度的不同,可归纳出5类不同的底板破坏模式,但都可归结为由于最大切向集中应力造成的破裂碎胀性大变形。修正了原有底鼓力学机制未考虑应力释放、转移和集中等...     

深埋隧道工程高地应力影响下围岩稳定性分析

隧洞围岩稳定性分析目前主要采用的方法仍以经验判断为主,但高地应力区的深埋隧道,其围岩稳定性问题越来越突出,定量的分析评价显得非常重要。结合正在建设的引大济湟干渠工程中的深埋引水隧道,在分析隧道工程地质条件的基础上,分析隧道沿线地应力的分布规律,利用Fl AC3D软件采用强度折减分析法对隧道围岩进行稳定性定量分析,并对围岩发生岩爆的可能性进行判别。结果表明,隧道埋深较浅时,岩土体以垂直自重应力为主;随着埋深增加,隧道的围岩稳定性逐步降低;在引水隧洞围岩的第十九至第二十六段有中等岩爆至弱岩爆,部分地段可能有较强岩爆。研究结果可以为工程施工提供技术支撑,也可为类似工程的建设提供借鉴。     

铁矿深埋巷道围岩变形与地应力关系研究

随着大量深埋地下工程的建设,尤其是大型矿山,与巷道围岩稳定有关的各种地质灾害问题突出,因此其一直备受关注。某铁矿巷道埋深450～800m,变形剧烈,局部持续大变形,呈条带状臌出。地应力实测结果表明,矿区地应力总体特征为σv≥σH〉σh,现今水平构造作用明显,最大水平主应力为13-21MPa,接近岩体自重。大变形洞段围岩为裂隙化岩体,强度低,蠕变性明显。有限元分析表明,巷道开挖后在边墙与顶拱和底板交界处产生约40MPa的高应力,造成了围岩变形破坏。后期围岩在高应力作用下产生大变形,其宏观变形破坏特征与软岩相似。另围岩加固与支护发现,普通的挂网喷锚支护已很难适应高应力条件下的岩体大变形。论文基于地应力实测结果,通过对巷道围岩大变形成因机制的探讨以及原加固支护效果的总结,为后期巷道围岩变形破坏的防治提供了参考。     

峰后岩石剪胀性能试验研究

采用美国MTS815型电液伺服岩石力学试验系统,对18块大理岩试件进行了试验,从6种不同围压下岩石应力-应变试验中,获得了岩石强度、剪胀力及体积应变随围压的变化情况规律,揭示了高应力松动、圈巷道围岩大变形的力学机理。提出了破裂岩体围岩与支护相互作用及最佳支护力位于“剪胀二期”初始点的新观点。     

大埋深高地应力关山隧道围岩变形破坏分析

甘肃省关山隧道是一条受高地应力影响的大埋深硬脆性闪长岩铁路隧道,位于青藏高原东北缘,构造活跃,运动速率较大,且方向变化显著的六盘山挤压隆升构造区。在隧道开挖过程中围岩变形破坏现象明显,围岩等级低于前期岩体质量分级,表现出强烈的岩体质量劣化和各向异性。针对该问题,除了采用矿物成分和微结构分析寻找原因,还通过现场结构面统计分析对围岩质量劣化和各向异性进行描述,同时运用自行研发的钻孔电视进一步分析开挖前后一定时间间隔内围岩的渐进式变形和破坏。钻孔电视试验结果表明,尽管闪长岩作为一种硬脆性岩体,单轴抗压强度（UCS）高于现场地应力值,但其变形和破坏却普遍发生,开挖过程中新生裂隙迅速发育,原先在高地应力下闭合的裂隙也会重新张开和发展,围岩劣化,稳定性降低。为了进一步分析围岩的变形破坏过程,设计了变压力大小和方向的单轴抗压试验,试验中闪长岩的单轴压力值低于单轴抗压强度,试验结果与钻孔电视试验观测结果吻合,证明了在开挖引起的地应力剧烈变化条件下硬脆性闪长岩结构劣化,存在变形破坏的可能性。在大埋深高地应力条件下,除了岩体的各向异性,地应力的变化也是硬脆性围岩稳定性的重要考量因素。     

深部硬岩剪切边界下应力诱发片帮的机制研究

深部工程开挖现场发现硬岩的剪切破坏过程对地下工程稳定性具有重要影响。深埋硬岩隧洞边墙处片帮或板裂主要为压致拉裂的结果,可通过室内单轴压缩试验来模拟;而拱肩和底角处的片帮或板裂多数是在剪切边界下形成的,需通过室内完整硬岩直剪试验来再现。针对不同类型硬岩压致拉裂型片帮,已进行了相当深入的研究,但对完整硬岩剪切边界下应力诱发型片帮的直接研究还存在着不足。为了深入研究深埋硬岩隧洞片帮或板裂的形成机制,采用FLAC3D软件模拟隧洞不同位置处围岩受开挖扰动的应力调整过程,根据中国锦屏地下实验室二期工程区域的片帮统计结果,将深埋硬岩隧洞片帮划分为压致拉裂型和剪切边界应力诱发型两类,提出剪切边界应力诱发型片帮形成过程的概念模型;利用完整大理岩设计了不同正应力下压剪破裂到剪切滑移的连续性直剪试验,试样典型片帮破坏结果验证了概念模型的合理性。     

水工隧洞围岩裂纹扩展的临界水压解析解

通过把断裂力学扩展判据引入水工隧洞解析解中,使宏观的水工隧洞受力分析与细观的围岩裂纹扩展研究相结合;将隧洞围岩裂纹分为拉剪型裂纹和压剪型裂纹,并针对不同类型裂纹的开展机制,分别推导了水工隧洞围岩拉剪型和压剪型裂纹扩展时的临界内水压力表达式。在此基础上,分析了裂纹的走向、长度、埋深等参数对临界水压的影响规律。算例显示,在高内水压力作用下,或者由于地应力释放的影响,裂纹既可能发生拉剪型扩展,也可能发生压剪型扩展,但后者发生的几率更大。在内水压力控制工况下,当裂纹走向垂直于洞壁法线方向时最不容易发生扩展;裂纹长度越长,埋深越浅,围岩孔隙水的作用面积越大,裂纹发生扩展的可能性越大。