大型地下洞室群变形实测与数值模拟

以某水电站大型地下洞室群开挖为例,建立了三维数值分析模型,研究了洞室群开挖后洞周围岩的变形特性并分析了锚索应力损失对周围岩体变形和应力状态的影响;通过模拟结果与实测结果进行对比,分析模拟方法的合理性和支护方案的可行性.结果表明,围岩水平位移在洞室边墙中部最大,竖向位移在洞室拱顶最大,在洞室交叉部变形也较为显著;模拟结果与实测结果较接近,能良好地反映洞室实际开挖的过程和围岩的变形规律;锚索预应力损失达到某一程度时会使围岩水平位移显著增大.     

大型地下洞室围岩最佳支护时间的判定

对新奥法在大型地下洞室施工中的二次支护时间的现有判据进行分析,发现其考虑因素欠全面,主要以变形量或变形速率为主,洞室位移相对值不适应大型洞室.以围岩变形为研究对象,提出大型洞室围岩变形达到总变形的80%、洞室周边水平收敛速度小于0.2 mm/d、顶拱或者底板垂直位移速率小于0.1 mm/d、隧洞周边水平收敛速度以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降、位移加速度应基本接近于0作为大型地下洞室最佳支护时间的判据.为了验证该判据的合理性,选择了向家坝大型地下洞室一个断面,按照实际开挖顺序,计算了不同开挖层的最佳支护时间.向家坝地下洞室该断面处围岩拱顶、不同开挖层上下游侧边墙最佳支护时间在8～18 d之间,较好地符合了向家坝实际支护时间.     

陡倾角层状岩体中地下洞室围岩的变形

考虑到层状岩体顺层滑移和弯曲变形的特点,将Cosserat介质理论引入到大型地下洞室的开挖模拟中,基于Matlab编制了考虑偶应力的有限元程序,并对一个简单地下洞室模型进行模拟分析。结果表明:洞周围岩的变形随层面间距的增大而减小,洞室变形的不对称性在层面间距越小的情况下越明显;大型洞室高边墙的位移随层面倾角先增大后减小,反倾向一侧的位移在倾角为60°达到最大,而顺倾向侧边墙在30°达到最大;在洞室的同一高度处,当岩层倾角缓时顺倾向侧洞周位移要大于反倾向侧的位移,而当倾角变陡后,顺倾向侧洞周位移要小于反倾向侧的位移;层面的切向刚度对洞周位移影响很大,洞周位移随切向刚度系数的减小而迅速增大,但切向刚度系数减小到一定程度后将趋于稳定。数值模拟表明用Cosserat介质来模拟层状岩体是合适而且方便的。     

大型地下洞室群施工期围岩力学参数实时动态反演

综合考虑大型地下洞室群施工现场的开挖进度信息、支护进度信息及新出露的地质信息,建立能够实时更新且反映工程实际进度的三维全尺度数值仿真模型,结合均匀设计和人工神经网络技术,基于C#.NET+Python混合编程技术对通用数值软件ABAQUS进行二次开发,提出大型地下洞室群施工期围岩力学参数实时动态反演分析方法。以黄登水电站为例,对其地下洞室群施工期围岩力学参数进行实时反演。结果表明:各施工分期测点计算位移与实测位移随施工期的曲线变化规律一致,实测值与计算值吻合度较高,第五期的平均误差仅为5.5%,得到较好的反演结果,验证了此法的合理性和可操作性。     

大型地下洞室围岩稳定性分析及实践探讨

对出露较弱夹层的巨型地下洞室进行断面布控监测,通过对围岩变形的时效关系分析,总结了在该大型地下洞室的开挖过程中在软弱夹层及洞室群效应影响下的围岩变形收敛特征,讨论了围岩支护时间的合理性及重要性,对类似的大型地下洞室的设计与施工有借鉴作用。     

洞室群围岩应力集中效应放大现象的数值模拟

为了研究洞室群开挖过程中围岩应力集中效应放大现象的变化规律,本文根据不同的截面形状、不同的水平距离、不同的空间位置,利用3D-Sigma软件设计了4组洞室群模型,第1组包含5个模型,其他组均包含3个模型,以此来模拟后期开挖洞室的不同布置方案对前期洞室的影响规律.通过在拱顶、拱底和左右拱脚等部位设立应力监测点,得到了后期洞室群开挖过程中前期洞室围岩中代表性部位应力值的变化.最后从最大主应力和最小主应力两个方面,详细分析了开挖过程中随着洞室间距以及后期开挖洞室位置的变化洞室群围岩应力集中情况,得出了洞室群开挖过程中围岩应力集中效应的放大规律.该规律对深部洞室群稳定性控制具有指导意义.     

地下厂房洞室群动力反应时程分析

采用动力时程分析法,对杨房沟水电站地下厂房洞室群地震反应进行了三维非线性数值模拟,分析了洞周围岩的加速度、位移时程变化及应力分布特征.计算结果表明,在地震荷载作用下,洞室高边墙对加速度有一定放大效应;洞周围岩地震位移波形与输入地震波形一致,围岩各质点间的相对变形及围岩永久变形均较小;围岩应力分布较为合理,最大主应力及最小主应力幅值较小,地下洞室群在设计地震荷载作用下抗震稳定性较好.     

乌东德水电站左岸地下主厂房围岩支护效果分析

地下洞室围岩支护效果检验分析对于地下工程运行具有重要意义.本文在围岩监测分析基础上,采用FLAC 3D对乌东德水电站左岸地下主厂房洞室开挖过程与支护效果进行数值模拟,通过对比分析位移场、应力场及塑性区等基本场与围岩变形监测数据的变化特征,定量评价围岩支护效果.分析结果表明,围岩支护效果显著,尤其是对顶拱围岩的位移变形遏制十分有效:支护后,顶拱累计位移量值最大下降幅度达96.4%,边墙累计位移值下降幅度达18%～25%,且变形趋于稳定;边墙拉应力逐渐减小,局部拉应力逐步变为压应力,缓解了应力集中效应,量值最大下降幅度达32.89%;边墙部位塑性区深度减小,范围缩小,塑性区深度下降50%;支护前后边墙的累计位移值的一致性说明了边墙围岩的自承能力较顶拱围岩强,且实际施工对边墙的支护是及时的.     

地下等截面交叉洞室扩建衬砌拆除及支护方法

为确保存在应力集中交叉口区域、衬砌老旧失效且为素砼结构的地下深埋废弃洞室改造扩建数据中心之后继续稳定服役,依托贵阳市地下某等截面交叉洞室改扩建数据中心工程,通过有限元数值模拟、现场监测的方法研究不同衬砌拆除方案、不同支护体系施工的围岩位移、应力以及主钢拱架变形受力特征。结果表明:首先开挖三角交叉区域衬砌,再以三角区为界,左右对称拆除衬砌的素砼衬砌拆除方案对围岩影响最小;Y型主拱架的整体竖向位移以及内力均为最小,但拱架整体有向右侧偏移的趋势;结合上述结论,提出了一种“三角交叉区开挖,Y型主拱架先行,左右对称拆除,随拆随支接搭拱架”的衬砌拆除+支护一体化施工控制方法;数值模拟与现场监测变形趋势一致,斜长拱架拱脚钢拱架应变、围岩压力、混凝土应变最大,但皆满足工程支护要求。可见该方法满足数据中心的服役要求。     

流固耦合作用下大型地下厂房围岩稳定性分析

为分析降雨和地下水形成的渗流场与应力场的耦合作用,对某大型地下厂房洞室群围岩稳定的影响,根据流固耦合理论,利用二维和三维有限元对地下厂房开挖施工进行数值模拟分析。该厂房最大的特点就是复杂的地质环境,断面形状和尺度庞杂,最主要是有F77大断层横穿主厂房,且遭遇降雨入渗等影响厂房围岩稳定性的恶劣工程环境。因此,基于厂房开挖支护的数值仿真过程,通过是否考虑应力场或渗流场的影响等不同工况进行对比计算分析。依据计算的洞室内渗流量、围岩应力场、变形场以及塑性区分布等结果表明,主厂房和主变室边墙部位以及洞室拐角处需加强支护,且主厂房大断层处在施工过程中需要及时排水与加固处理。耦合作用下,围岩应力和位移均不同程度地增大、塑性区分布范围加深。因此,考虑应力场和渗流场的耦合作用是合理的,并且适时对地下厂房进行防渗和排水是十分必要的。     

高应力炭质板岩隧道开挖支护结构受力评价研究

为探究高应力下炭质板岩隧道开挖过程中围岩位移、支护结构内力变化规律，依托渭武高速木寨岭公路隧道，采用有限差分软件FLAC3D建立三台阶七步开挖法下炭质板岩隧道的数值模型，提出强、中、弱三种支护方案；分析开挖距离对围岩位移、支护结构内力等因素的影响，并对支护设计参数合理性评价。研究结果表明：开挖过程中围岩累计沉降和收敛变形量比较：强支护＜中支护＜弱支护；开挖相同距离下，随着支护强度上升，支护提供的弹性抗力越强，围岩沉降和收敛变形减小；以强支护为例，支护结构轴力呈现先增大后减小的趋势，最终轴力不断上升但趋势变缓的特征，开挖距离50m趋于稳定；支护设计参数评价时，开挖距离（50m）结束，强、中、弱三种方案钢架受压安全系数最小值分别为3.903、3.718、3.264，#1拱顶处强支护钢架较喷射混凝土先破坏，混凝土安全系数最小值分别为3.491、2.987、2.666，#2左拱腰处喷射混凝土较钢架先破坏，故选择中支护方案，材料I25b×C25、初衬厚度26cm、钢架距离0.8m。研究结果可为类似软岩隧道开挖和支护结构的设计提供一定参考。     

大型地下厂房洞室群围岩开挖松弛效应与渗透性演化特征

锦屏一级水电站地下厂房洞室群开挖规模巨大,赋存于极高至高地应力和低强度岩体环境下,且受f13、f14、f18断层切割,其围岩稳定性将成为影响工程安全和正常运行的重要因素之一.结合现场声波监测资料,采用裂隙岩体等效弹塑性本构模型以及基于Hoek-Brown参数的偏应力破坏准则对开挖松弛区进行模拟与评价.此外,重点关注洞室群围岩在地下厂房开挖过程中渗透特性的演化,并采用SVA方法对其防渗排水措施的渗控效应进行分析与评价.研究结果表明:采用塑性屈服区以及偏应力破坏准则表征围岩开挖松弛效应是合理的,高地应力、低强度应力比是造成锦屏一级地下厂房围岩开挖松弛区较大的主要原因;洞室群围岩在地下厂房开挖过程中渗透特性可增大3个数量级,影响范围达35m;围岩渗透特性演化对渗流场具有显著影响,影响程度取决于与洞室群的距离以及防渗排水措施的渗控效应.     

动力扰动对采空区稳定性影响的离散元分析

 采用离散元程序对地下采空区进行动力扰动数值计算,通过改变扰动应力波峰值的大小,考查动力扰动强度的变化对采空区稳定性的影响,对模型分别静力和动力状态下进行了计算。结果表明,采空区开挖后,最大位移量2.98mm;施加动载荷后,最大位移量增至5.0mm,增幅与动载荷应力大小呈正比;围岩位移、最大主应力、最小主应力分布受动载荷影响较大,围岩应力发生二次分布,塑形区明显增大。分析结果表明,邵东采空区基本稳定,但应加强顶板、底板支护。为了避免采空区在外力扰动下产生灾害,给出了建议。     

大型地下洞室群开挖的施工预测解析与信息化管理

介绍了天荒坪抽水蓄能电站地下厂房洞室群施工预测解析与信息化施工管理的工程实例。工程开工 后完全模拟洞室的开挖实况,进行了三维弹塑性有限元计算分析,预测了洞室开挖过程中围岩应力、位移和屈 服范围的变化规律。根据计算结果及施工现场的观测结果,及时修正调整了施工期的支护参数,确保了工程的 顺利完成。     

圆形巷道掌子面推进围岩应力变化规律研究

洞室围岩中主应力随掌子面推进过程动态发展变化的研究较为少见。假定了三种较为常见的初始应力场分布特征,利用FLAC3D数值模拟软件,研究分析了圆形洞室洞壁围岩应力随掌子面推进过程的变化特征。研究结果表明:围岩二次应力场中主应力变化发展规律与初始地应力场相关。不同组合下主应力表现不同变化特征。掌子面推进过程中主应力主要于一倍洞径范围内动态变化,这一范围亦为洞室临时支护及其他工程措施的关键部位。洞轴与最大初始主应力平行情况最有利于洞室稳定。研究结果可为地下工程支护设计及支护等措施施加时机选择提供一定的参考。     

基于FLAC3D的深基坑支护三维数值模拟分析

为研究基坑不同支护方式对围护结构变形及稳定性的影响,利用FLAC3D三维快速拉格朗日差分方法对某地铁深基坑分步开挖与支护进行数值模拟,并对两种支护方案进行对比分析。研究结果表明:地下连续墙最大水平位移出现在墙顶,且位于地下连续墙长度方向的中部;在分步开挖时,第一步开挖时地下连续墙的位移变化率与第二步开挖时的位移变化率相同。研究还发现,采用地下连续墙加内支撑的支护方案对地下连续墙的侧向位移有较明显的抑制作用。     

大型地下洞室多层耦合施工方法

采用FLAC3D软件模拟分层拟作法和多层耦合工法,开挖某特殊用途大型地下洞室全过程,分析开挖引起的围岩变形、应力和塑性区分布状况.发现多层耦合法可以减小塑性区分布范围,开挖各工况围岩稳定性良好,可作为大型地下洞室安全施工的一种工法.通过模拟多层耦合法在Ⅲ、Ⅳ级围岩和不同地应力条件下的施工效果,研究该工法的地质条件适用性.相对而言,围岩质量是更敏感的影响因素,对围岩稳定性影响更大;构造应力场条件下围岩变形和塑性区显著增大.     

高地应力砂板岩区岩锚梁精细化开挖技术研究

两河口水电站地下厂房处于高地应力砂板岩区,厂区第一主应力与厂房轴线大角度相交,应力集中释放破坏岩体问题突出,且存在优势裂隙发育不利于块体稳定等地质问题,导致厂房岩锚梁开挖施工难度大、成型质量难控制.开挖中严格遵循"薄层开挖、随层支护"原则,通过1∶1精细化爆破实验优选爆破参数并严控爆破钻孔质量;严格遵循"先固后挖"原则,根据地下厂房洞室群围岩稳定速监测与反馈分析成果进行支护参数动态调整、采取预加固措施等严格控制围岩变形,确保了岩锚梁开挖优质成型.岩锚梁精细开挖技术在砂板岩地区的施工控制措施全过程的详细介绍为同类工程提供了参考.     

基于损伤的黏聚力弱化-摩擦角强化模型对大型地下洞室群围岩稳定性的影响

岩体的峰后强度对大型地下洞室群围岩开挖变形稳定具有较大影响.针对此问题,采用基于损伤的黏聚力弱化-摩擦角强化(cohesion weakening and friction strengthening,CWFS)模型并以动态链接库(dynamic link library,DLL)的形式植入FLAC3D程序中,针对依托工程的大型地下洞室群围岩开挖稳定性,开展考虑围岩开挖损伤和不考虑损伤的开挖全过程模拟.通过分析围岩的变形、应力、塑性区与损伤区的规律及其与现场监测数据的对比,研究开挖损伤对围岩稳定性的影响.结果表明:考虑围岩开挖损伤相对于不考虑损伤时,围岩应力释放程度较高,不利于地下洞室群的稳定;围岩塑性区和变形在主厂房顶拱与边墙等区域增加至1.5～2.0倍.CWFS模型能有效反映围岩塑性屈服的诱因,即损伤系数在0.5～1.0范围内为开挖卸荷导致的屈服,损伤系数在0～0.5范围内为开挖损伤导致的屈服;采用该模型得到的围岩开挖变形在量值上与采用多点位移计得到的现场监测值相近,变化趋势基本相同,不考虑围岩开挖损伤时得到分析结果相对于实际工程偏危险.     

龙滩水电站地下洞室群围岩变形与稳定性的二维弹塑性分析

龙滩水电站是红水河陡倾角层状结构岩体;两者的耦合作用,使洞室群围岩的稳定性,特别是主厂房与调压井的高边墙、洞室交叉口部位的变形稳定性尤显复杂,倍受关注.本文通过对龙滩工程厂房区地质调查,结合洞群结构分析,建立了工程地质概化模型,采用二维弹塑性有限元对地下厂房洞室群的施工开挖进行模拟,对比分析了多种不同条件下的洞室群开挖变形、应力以及屈服区的分布特征,获得了一些有益于指导施工的结果.