深埋公路隧道高地应力场特征分析及岩爆预测

深埋隧道岩体中有较高地应力,在岩石强度较高的围岩处易发生岩爆,影响围岩稳定性。笔架山公路隧道埋深大,为降低其安全建设风险,本文通过工程区岩样岩体力学实验对围岩性质进行研究,结合地应力资料建立三维有限元地质模型反演隧址区地应力场,最终利用谷-陶岩爆判据和强度应力比岩爆判据对笔架山隧道岩爆状态进行预测。结果表明：隧道工程区内岩体有中等-强烈岩爆倾向;隧道沿线地应力场由自重应力场主导,大多数区段岩体处于极高应力状态,且水平最大主应力与隧道夹角较小,有利于围岩稳定;开挖后沿线围岩最大主应力峰值为63.2MPa,均发生在断面侧壁,因此在该部位发生岩爆的可能性较大;隧道沿线24%区段有发生岩爆的可能,且以中等-高岩爆活动为主,岩爆预测结果可为隧道开挖施工和灾害防治提供参考。     

锦屏二级水电站施工排水洞岩爆机理及特征分析

利用FLAC3D软件模拟锦屏二级水电站施工排水洞典型洞室断面围岩开挖应力调整过程,通过关键点应力监测分析洞壁不同深度围岩应力变化过程特征及岩爆潜在动力源分布情况,同时,据自洞壁围岩应力释放率分析研究岩爆滞后性特征。研究结果表明:洞壁浅表层围岩最大、最小主应力皆为降低过程,发生应力降低型屈服却不易积聚弹性应变能;距洞壁一定距离处围岩发生塑性屈服并积聚较高弹性应变能,形成岩爆潜在动力源,随围岩屈服过程不同程度地释放能量,对浅表层屈服围岩的稳定产生影响进而发生岩爆灾害;深部弹性区围岩亦聚集较高的应变能,会进一步加剧岩爆的等级及破坏性;围岩应力释放率较低时不会发生岩爆灾害,应力释放率逐渐变大,围岩弹性应变能及塑性应变能分布特征逐渐变化,释放率达到70%～80%时围岩将发生岩爆灾害。     

深埋隧道强烈岩爆孕育微震主频演化规律

岩爆是深埋隧道施工过程中常见的一种地质灾害,严重制约深埋隧道开挖的安全和效率。本研究从岩爆孕育相关的岩体破裂所释放微震波频率的角度出发,建立了基于微震波频率衰减特征的隧道岩体破裂微震主频计算方法。分析了锦屏二级水电站引水隧洞群大埋深大理岩洞段,隧道掘进机(TBM)和钻爆法两种施工方法下的典型强烈岩爆案例。研究结果表明:TBM强烈岩爆孕育时岩体破裂微震主频由高向低交替变化,且在岩爆发生当日降低到最小,钻爆法强烈岩爆的微震主频演化则是无序的;TBM和钻爆法强烈岩爆孕育过程中单日最小微震主频一般低于200Hz,且TBM单日最小微震主频呈逐渐降低的趋势。微震主频的演化规律可为深埋隧道岩爆预警预测提供参考。     

成兰铁路特长深埋隧道岩爆段应力特征

为了探究高地应力环境下深埋隧道岩爆发生机理,掌握岩爆孕育规律,本文通过现场测试、数值分析及室内实验,对平安特长深埋隧道岩爆段围岩的二次应力场进行了分析,探明了隧道岩爆发生的力学机制,并运用经典应力岩爆判据指标,预测判断出岩爆发生强度及位置。研究表明隧道侧壁处存在较大的压应力,是造成岩爆发生的主要原因;高地应力条件下,由于结构面等不利因素的存在,造成掌子面中部处原岩应力突发释放而引发高烈度的岩爆;在岩爆区段进行应力释放孔的布置,能够有效地释放原岩应力,减少岩爆发生的可能性。相关研究成果能够深化人们对于高地应力环境下岩爆发生机制的认识,为类似工程岩爆的防控及建设提供科学依据。     

深埋隧洞不同掘进方式下即时型岩爆微震对比分析

对某水电站引水洞和施工排水洞钻爆法及TBM开挖段的施工过程进行连续性实时微震监测,将即时型岩爆孕育及发生过程中获得的微震信息进行了对比分析.结果表明:深埋硬岩地下隧洞即时型岩爆的孕育及发生过程中,微震事件在空间位置上从初始的不规则零散分布不断向岩爆区域集合,并且数量不断增加;累计微震释放能以及塑性体积的平均微震释放能均不断增大,TBM开挖过程中岩体能量释放要大于钻爆法开挖;TBM开挖强烈岩爆发生前有轻微~中等岩爆伴随发生并且随着岩爆的孕育过程而逐渐递增,而钻爆法开挖不具有这一现象.     

大岗山深埋硬岩公路隧道岩爆预测

位于川西和青藏高原接触带的长大深埋硬岩公路隧道建设面临极大的岩爆危害,对其岩爆倾向性的准确预测是解决这一瓶颈问题的关键手段。以泸石高速大岗山隧道为工程背景,基于地勘中地形地貌、地质构造、岩石力学参数和地应力实测数据资料,采用数值模拟和数理统计相结合的方法,反演分析隧址区全线初始地应力场,系统分析了大岗山隧道各断面开挖洞周围岩二次应力,基于应力判据法对其岩爆发生情况进行了综合预测。结果表明:隧道全线地应力场分布规律以竖向应力为主,竖向应力量值最大达33.25 MPa,且局部地应力复杂,水平构造作用明显,以NWW-SEE向挤压作用为主,具备发生岩爆条件;隧道埋深大于408 m时有中等、强烈岩爆活动,中等岩爆段长度占隧道全长的13.8%,强烈岩爆段长度占隧道全长的39.7%,且埋深大于450 m时岩爆在边墙部位发生;岩爆发生受地形地貌、地质构造影响显著,由于地应力在软弱岩体中得到释放,断裂带、辉绿岩脉内部无岩爆活动,而断裂带和沟谷地形会使其附近完整花岗岩段内出现地应力集中现象,从而加剧其岩爆烈度。     

双江口水电站深埋地下隧洞微震活动特征分析

双江口水电站尾调交通洞埋深大,围岩主要由花岗岩组成,地应力高,地应力与岩体强度比值大,开挖卸荷作用下围岩极易发生岩爆现象。本文结合地质资料、开挖形式,对岩爆分布及破坏特征进行了分析。并利用微震监测,采集并分析微震事件特征,揭露了岩爆与微震事件的内在联系,研究结果发现：双江口尾调交通洞微震事件主要聚集于靠山侧,在岩爆发生前24小时突然聚集;高应力围岩在开挖作用下的应力调整是岩爆发生的根本原因。该研究结果可为类似工程中岩爆的监测与预报提供一定的借鉴作用。     

大岩湾高速铁路隧道岩爆综合分析预测

针对沪昆高速铁路大岩湾隧道埋深大、岩性脆而坚硬的特点,选取隧道典型断面进行了水压致裂地应力原位测试,获得了实测深度范围内地应力的大小和方向。为对隧道全线进行岩爆预测预警,在地应力测试的基础上,采用弹性应变能指数法、应力强度比法、有限元反演法对隧道岩爆进行分析。最后,以大岩湾隧道地应力条件、岩性特征、围岩结构特征、地下水条件四个方面为基本条件,对隧道岩爆进行了综合分析预测。结果表明:该综合预测方法的准确度较以往单一的岩爆预测方法有了很大提高,对隧道岩爆预测预警有很好的实际指导意义。     

不同开挖方式下深部岩体能量积聚特性

探讨了不同开挖扰动下围岩塑性损伤分布以及应变能调整过程,对高地应力条件下机械法(TBM)以及钻爆法开挖进行了数值模拟,并比较了不同开挖方式导致的围岩损伤和应变能积聚特征.结合锦屏二级水电站引水隧洞现场监测资料,验证了不同开挖方式下围岩应变能积聚对岩体损伤区及岩爆孕育的影响.研究结果表明:高地应力下岩体开挖卸荷使围岩应变能呈现出驼峰状积聚形态,由表及里按低→高→低分布;TBM开挖后围岩中应变能的积聚峰值明显高于钻爆法,而应变能的积聚区域却较浅.开挖后围岩发生低等级岩爆的风险较钻爆法高.     

爆破开挖扰动作用下深埋隧洞的微震分布规律

基于地应力高、开挖断面大、日炮次多、爆破扰动强的施工环境下的微震监测数据,研究了爆破开挖扰动作用下深埋隧洞的微震分布规律.结果表明:爆破开挖卸荷影响范围内的微震活动既与围岩应力重分布有关,又与爆破扰动密不可分;爆破扰动是开挖卸荷影响范围之外微震活动的主要诱因,是时滞型岩爆孕育发生的重要影响因素之一;微震分布区域与爆破地点的相对位置及距离密切相关.研究结果可为钻爆法开挖下的隧洞岩爆防治提供参考.     

基于松动圈理论深埋黄土隧道围岩压力计算方法

围岩压力的确定一直是隧道工程结构设计中的重点,而黄土隧道的工程特性与其他岩质隧道有着明显的区别,尤其是深埋黄土隧道的围岩压力计算。通过对深埋黄土隧道开挖后的围岩应力状态进行分析,明确了松动圈的定义,推导了松动圈的表达式,提出了基于松动圈理论的深埋黄土隧道围岩压力计算方法,并基于现场试验实测数据与既有计算方法进行了对比分析,以验证该方法的适用性。研究结果表明：松动圈为塑性区的内圈,是塑性区内切向应力小于初始地应力的部分;黄土隧道的松动圈较普通巷道和岩石隧道的松动范围大得多,更易受隧道开挖影响;基于松动圈理论的围岩压力计算方法与其他计算方法相比较,计算结果与实测值接近且存在一定的安全储备,使用该方法对深埋黄土隧道围岩压力进行计算是可行的,基于松动圈理论的围岩压力计算方法更适用于深埋黄土隧道这种有一定自稳能力的软弱土质围岩隧道。     

灵宝县豫灵镇万米平洞岩爆控制试验

  豫灵镇10000m深平洞,在埋深超过800m、巷道穿越灰白色大理岩或灰岩时常发生岩爆事故。为了控制岩爆,依据巷道地压分布规律,借助爆破震动,引起巷道两帮和端面前方的应力峰值向岩体深部转移,释放部分集中应力,增强减压区的承载能力。本文通过现场最大超深比、最小超深比与最多超深孔数、最少超深孔数的正交爆破试验,得出呈三角形布置3个超深达到掘进循环进尺1.2~2倍的辅助眼可成功控制3400mm×3000mm巷道端面的岩爆。在巷道腰墙处离底面1.8~2.0m沿走向每间隔1.0、1.5、2.0m分别布置深2.0m的震动炮眼。试验表明,沿走向间隔不大于2.0m布置震动炮眼,可成功控制巷道两帮岩爆;如果震动炮眼间距偏小,可能在帮墙上产生爆破震动裂纹。     

深埋隧道大超挖围岩力学响应分析

隧道爆破开挖过程中的超欠挖问题是隧道工程中普遍存在的现象,大超挖问题严重影响了隧道工程的造价投资及安全使用。本文以某隧道工程为例,利用数值模拟的方法,研究了隧道埋深和超挖厚度对围岩力学响应的影响规律。研究表明,在不同埋深条件下,围岩最小等效应力出现在拱顶位置,最大等效应力出现在拱脚位置。隧道拱顶位置的变形量最大,拱脚位置的变形量最小。相同超挖厚度对应的等效应力值随隧道埋深的增加而增大;相同位置围岩的变形量随埋深的增加而增大。另外,超挖厚度对围岩的力学响应影响较小,隧道埋深对围岩等效应力的影响较大。本研究成果可为同类工程提供借鉴。     

基于多重判据的高楼山隧道岩爆倾向性判别

为探究不同层理倾角对岩体岩爆倾向性的影响,以武九高速土建工程高楼山隧道的层理灰岩为研究对象,通过室内单轴加载与加卸载试验,结合弹性应变能岩爆指标、临界埋深岩爆指标、陶振宇岩爆指标和Russense岩爆指标对不同层理角度的岩样进行了岩爆倾向性综合分析.结果表明:不同岩爆指标的判别结果之间存在一定差异;层理角度对岩爆倾向性有显著性影响,当层理角度为60°时岩爆倾向性最高,层理角度为45°时岩爆临界埋深最浅;基于多重判据的岩爆倾向性判别法为在具有层理结构岩体的地下工程中进行岩爆灾害的预测预报提供了有益参考.