高地应力下隧道围岩动力损伤分析

为预估和控制爆破荷载作用下围岩损伤范围,在赣龙铁路梅花山隧道工程现场进行岩体声波测试,得到围岩的损伤范围。根据爆破荷载作用下岩体损伤发展规律,采用基于概率形式的损伤变量定义,运用三维有限差分软件对不同地应力状态下爆破产生的围岩损伤范围进行数值模拟,并与现场岩体声波测试结果进行比较。计算结果表明,数值计算与实测结果有较好的一致性,随着地应力大小增大,围岩损伤范围呈现先减小后增大的趋势,且增大幅度较大,地应力较高时,局部部位如顶板、底板损伤更为明显,说明地应力大小对围岩损伤分布有着显著影响;随着侧压力系数增大,损伤范围先减小后增大,但增速逐渐减小。所得到的结论可为高地应力下隧道稳定性分析和支护设计提供依据。     

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。     

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。     

深埋隧道围岩-支护结构稳定性研究

依据隧址区工程地质特征,建立通-渝深埋公路隧道1:1实体模型。通过有限元数值模拟,结合量测资料,分析了隧道按全断面法和台阶法动态施工过程围岩-支护结构屈服接近度、位移和应力特征,以及支护结构钢支撑受力、二次衬砌轴力和弯矩特征。结果表明,在相同的地质条件和支护条件下,台阶法较全断面法没有明显的优势,为深埋公路隧道优化设计和施工提供了科学依据。     

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。     

热-应力-损伤耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性分析

以热力学和弹塑性力学理论为基础,分析岩石热-力完全耦合作用及其对力学参数和热特性参数的影响,建立了岩石热-力-损伤耦合模型及其参数演化方程,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发,并通过典型算例验证了岩石热-力完全耦合的重要性。然后以某深埋软岩隧洞为例,研究温度和开挖卸载共同作用下的隧洞围岩力学行为和损伤过程。计算结果表明：温度对岩石的力学性质和损伤演化过程影响显著,开挖损伤和热应力诱发的损伤对围岩热力学参数的影响不可忽略;所提出的力学模型可以有效反映围岩损伤演化、调热圈演化以及热力学参数演化,具有一定的借鉴作用。     

木寨岭深埋隧道北段地应力测量与围岩稳定性分析

基于兰渝铁路木寨岭深埋隧道工程区活动断裂调查和3个钻孔水压致裂地应力测量,获得了木寨岭隧道工程区北段的现今地应力分布特征,结果表明,北段工程区最大水平主应力为38.38 MPa,属于高地应力区;三个主应力的关系为SHShSv,表明该区地壳浅表层现今构造活动以水平运动为主,主应力关系有利于逆断层的发育和活动;最大水平主应力优势方向为NE,反映穿越隧道北段的NWW向主要断裂带具有逆冲兼反时针扭动活动特征。根据地应力测量结果、相关理论及判据认为:隧道北段横截面形状以水平长轴、垂直短轴,且长短轴之比近似于隧道截面上侧压力系数的椭圆形为宜;隧道北段在埋深范围开挖时,硬岩具有岩爆发生的可能性,软岩具有发生严重挤压变形的背景。该成果为深入研究隧道区应力场特征,分析隧道围岩稳定性,科学设计隧道断面形状、结构和强度等工程地质问题提供了依据。     

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。     

高地应力硬脆性围岩破坏影响因素分析

地应力对硬脆性岩体稳定性具有极为重要作用,已有研究主要集中于脆性破坏方式及其是否发生的预测上,而对地应力、洞形等因素与脆性破坏深度间关系的研究较为少见。基于硬脆性岩体脆性破坏准则,利用Examine2D软件,分析不同地应力环境及洞形时围岩脆性破坏深度d_f变化情况。结果表明:最小主应力量值较低时,破坏深度d_f与主应力比k近似为直线关系,较高时则为非线性增长;随着k值增加,屈服范围逐渐偏离最小主应力方向45°夹角发展;洞室断面长宽相近时,主应力方向较主应力量值对d_f的影响小,相同应力量值不同主应力方向,破坏位置不同,深度变化较小。洞形不同应力集中系数不同,选择长短轴长度之比与应力比k相接近的椭圆形谐洞,可有效降低破坏深度。     

深埋高地应力隧道勘察期岩爆烈度概率分级预测

岩爆是地下工程开挖过程中硬质岩体存储的弹性应变能突然、迅速释放的动态过程。我国西南山区正在建设或拟建大量深埋长大隧道,勘察阶段岩爆的准确预测对有效设计和控制投资十分重要。从隧道工程勘察阶段线路比选与设计需求出发,针对隧道勘查期岩爆灾害预测指标获取难、预测精度低的问题,以该阶段岩爆预测指标的易获取性为前提,利用贝叶斯网络解决不确定性问题的有效性来反映岩爆烈度与各影响因素的相关关系。基于473组岩爆灾害案例,采用4个预测指标（地应力、地质构造、围岩级别和岩石强度）来构建岩爆烈度朴素贝叶斯概率分级预测模型,利用十折交叉验证方法确定模型预测精度达84.47%。将该模型应用于雅安—叶城高速公路跑马山1号隧道岩爆段落,预测结果显示：28次岩爆预测中有24次正确、4次错误,准确率高达85.71%;其中2组错误预测中,现场判别为轻微-中等岩爆,而本文模型预测为轻微岩爆。验证结果表明所建立的贝叶斯网络模型具有良好的预测性能,研究成果可为我国西南山区深埋长大硬岩隧道勘察设计期岩爆灾害预测提供技术支撑。     

深埋隧道层状围岩变形特征分析

层状岩体在地下工程中经常遇到的,它具有明显的各向异性力学性质。结合共和隧道现场监测和数值模拟相结合的方法对层状岩体的破坏特征进行了分析,研究结果表明：围岩的变形位移、破坏区都主要集中隧道拱顶右侧,即靠河侧大于靠山侧。隧道围岩变形破坏区不在最大主应力方向上,而是在岩体层理垂直方向。层状岩体中洞室变形破坏特征除了因地形产生的偏压影响外,更重要的是受地层结构特征的影响,即与层状岩体的力学性质极大相关,其结果可为指导隧道的施工和设计提供有效依据。     

高地应力条件下层状地层隧道围岩挤压变形与支护受力特征

西部地区普遍出露层片状岩体。由于强度低、自稳能力差、结构强度呈现各向异性等特点,在隧道开挖过程中常引起围岩大变形,导致初期支护结构强烈变形失稳而不得不频繁进行拆换。部分洞段二次衬砌混凝土甚至发生劈裂、掉块的破坏现象,严重影响隧道施工的进度与安全。以兰渝铁路两水隧道为工程背景,采用现场实时监测、数值模拟等手段,获取大断面隧道围岩与支护系统之间的接触压力,揭示开挖断面不同位置接触压力随时间发展规律和空间分布特征。研究结果显示,受围岩结构强度的各向异性控制,隧道开挖后支护受力极不均匀。空间上与围岩变形集中部位一致,时间上变化历时长,且由于开挖方式的影响不易稳定。初期支护钢拱架局部荷载过大而发生侧向扭曲失稳,且监测的失稳发生时间与收敛形变稳定时间相比而明显滞后。根据层状围岩的支护受力特征,提出针对此类岩体更为合理的隧道设计建议。     

高地应力条件下围岩质量分类方法研究

围岩质量分类是隧道及地下工程领域重要的技术工作之一。限于经验,目前常用的围岩质量分类方法主要适用于中低应力、低应力环境,而在高地应力地区的适宜性较差。文章结合某水电工程实例,先后采用BQ分类、HC分类、RMR分类以及Q系统分类方法,分别就4种方法分类结果的相关性、吻合率和一致性等方面开展了系列对比研究和初步的成因分析。发现无论是上述4种方法各自的分类依据和指标,还是各指标权重的大小均有较大差异。故针对高地应力环境,以及研究区高地应力条件下的岩爆问题,分别对现行Q系统分类、HC分类和RMR分类方法逐一进行了修正。如Q系统重点修正了地应力折减系数、节理粗糙度系数Jr和节理风化蚀变系数Ja;HC分类提出了考虑高地应力和岩爆烈度的地应力折减系数,而取消了强度应力比S;RMR方法主要修正了R6,并增加了地应力折减系数K等。修正后的Q、HC、RMR方法所得结果更接近实际情况。最后,基于概率统计方法,建立了采用多种方法的围岩综合分类方案。     

隧道围岩稳定性的有限元分析

根据地下结构设计理论和岩石屈服的Drucker-Prager准则，考虑到了围岩的自身承载能力，采用有限元的分析方法对广西柳州一处公路隧道围岩的稳定性进行了分析。分析了开挖方式、开挖顺序对围岩稳定性的影响，对围岩的开挖过程进行模拟。确定不同开挖方式下隧道围岩的位移、应力状态，以及位移、应力状态随时间的变化规律，为隧道施工过程中开挖方案的制定、支护时间的选取提供依据。     

高地应力作用下渭武高速木寨岭隧道围岩大变形灾变预测分析研究

为解决在建渭武高速木寨岭隧道施工过程中遇到的高地应力环境下软岩大变形问题,基于工程区已有地应力实测数据,利用ANSYS有限元软件建立三维地质模型,反演工程区地应力场,并结合Hoek围岩变形预测公式计算分析隧道围岩的变形量。结果表明：工程区的地应力场主要受断裂控制,其次还受到岩体强度和地形的双重影响,强构造变形区的水平主应力值普遍低于弱构造变形区,沿隧道轴线三向主应力大小关系为最大水平主应力（SH）>最小水平主应力（Sh）>垂直应力（SV）,强构造变形区最大水平主应力值在G8区段最大,而在G6区段和G11区段最小;弱构造变形区的水平主应力值自G12区段开始逐渐增大,直至G14中段开始因埋深减小而逐渐降低。沿隧道轴线最大水平主应力方向总体为北东向,而在断裂间挤压构造带多偏转为北东东—近东西向。高速公路隧道围岩变形受岩体强度和地应力场的双重影响,其中,岩体强度占主导作用,围岩变形量主要集中在20~80 cm范围内,变形等级以中等和强烈为主。     

深埋断层节理段导流隧洞围岩稳定性分析

西南某水电站导流隧洞K1+350～400桩号发育F13断层等多条节理,埋深大,地应力较高,地质条件复杂。运用三维离散单元软件3DEC对其进行数值模拟,并结合现场监测数据对其围岩稳定性进行分析。结果表明,该段围岩稳定性主要受结构面控制,F13断层下盘右拱肩掉块较多,位移较大,支护后导流隧洞围岩稳定性得到加强,支护效果较好。     

断层对隧道围岩稳定性的影响

针对隧道开挖过程中的隧道围岩稳定性问题, 将地质力学中构造体系的复合及构造演化应用到隧道围岩稳定性分析中去, 分析了各种力学性质的单一式断层、归并复合式断层以及断层交会等的特点和对隧道围岩稳定性的影响, 并通过厦门海底隧道现场实例加以验证。研究结果显示, 断层交会和断层归并复合很容易引起围岩失稳, 断层的其他要素如风化程度、断层走向与隧道中线走向的夹角对围岩稳定性影响也很大。研究为隧道施工提供了有意义的借鉴。      

不同侧压系数条件下深埋洞室围岩应力和变形特征数值分析

基于圆形和矩形两种典型断面洞室,利用岩土数值分析FLAC3D软件,模拟了不同侧压系数条件下其围岩的应力和变形特征。结果表明：侧压系数小于1时,洞室开挖后围岩的大主应力最大值、剪应变增量最大值分布在洞室左右两侧,位移最大值分布在洞室顶部,剪应变增量分布区域近似为长轴与Z轴平行的椭圆;大于1时,大主应力最大值、剪应变增量最大值分布在洞室顶部和底部,位移最大值分布在洞室左右两侧,剪应变增量分布区域近似为长轴与X轴平行的椭圆;进一步分析和得到了洞室围岩最大主应力、剪应力、位移以及剪应变增量在不同侧压系数下的变化规律。研究成果对地下洞室水平应力影响的研究和洞室断面形状的选择有一定的意义。     

采动下卧煤层对深埋隧道结构稳定性的影响

通过3D有限元数值模拟,在分析某深埋隧道煤系地层隧道开挖、初期支护和二次支护动态施工过程的基础上,重点分析了下卧煤层(倾角 =35°,厚度h=2.8 m)按全陷落法分段开采后隧道支护结构的位移、应力特征,得到了下卧煤层经济安全的禁采深度。为复杂地质条件下煤系地层隧道建设和合理开采矿产资源提供了科学依据。