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.     

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.     

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.     

隧道与前方大型溶洞应力集中叠加效应

在陆家寨岩溶隧道施工期间,曾预报并揭露大型溶洞,施工过程中接近溶腔段围岩变形较大且伴随围岩块体脱落,给隧道施工带来极大的安全隐患。基于深埋球形洞室的弹塑性二次应力分布,结合新奥法隧道施工理念,利用FLAC3D模拟隧道开挖接近并进入大型溶洞的过程。在自重应力场下分析不同大小的球形洞室周围应力场对隧道围岩变形的影响。结果表明:球形洞室会在周围形成中心半径为1. 5倍洞室半径的应力集中带;隧道开挖接近应力集中带时,将引起隧道前方应力集中区与溶洞应力集中带的叠加;随着隧道继续开挖,叠加效应在下一个进尺完成后失效;分布在隧道两侧围岩,该叠加再分散的过程会造成拱顶、拱肩的变形增大,影响隧道开挖的安全。研究为中国岩溶隧道的建设有重要的参考和借鉴价值。     

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.     

低地应力区地下洞室拱顶围岩拉应力有限元数值模拟研究

采用弹塑性二维有限元法，以西北某市水利地下工程泄洪洞为例，对低地应力区洞室围岩开挖后拱顶拉应力进行了数值模拟研究，并总结分析了低地应力区地下洞室围岩开挖后拱顶拉应力及其分布特征。该项工作的实施，将有利于进一步研究低地应力区洞室围岩稳定性与围岩变形破坏机理。它将对保障地下工程的圆满进行具有极为重要的理论价值和现实意义。     

低地应力区地下洞室开挖后围岩应力数值模拟

以西北地区某水利工程地下洞室工程为例,采用弹塑性二维有限元法对低地应力区地下洞室围岩开挖后围岩应力进行了数值模拟研究,模拟出了低地应力区地下洞室围岩开挖后围岩应力值及其分布规律.结果表明,低地应力区地下洞室开挖后洞室围岩形成应力集中现象,侧壁位置处产生的压应力值大于洞顶位置压应力值,且洞顶产生拉应力.该研究成果将有助于进一步研究低地应力区地下洞室围岩变形破坏机理及其稳定性,对保障地下洞室工程的圆满进行具有重要的理论价值和现实意义.     

隧道开挖与支护的有限元动态模拟及检测数据对比分析

应用有限元软件ANSYS建立了隧道计算模型,采用平面应变模式的弹塑性方法及Druck-Prager屈服准则,对该隧道的开挖和支护进行了模拟计算,分别得到了各个开挖阶段和支护后的位移、应力图、支护结构内力图,以及开挖前和开挖后隧道围岩与支护结构的位移、应力变化规律。模拟计算结果与实测结果相近,为隧道应力集中部位的防治措施提供了依据。     

基于节理岩体损伤本构的洞室位移反分析研究与应用

基于对洞室位移反分析中开挖扰动区处理方法的总结分析,探讨将节理岩体损伤本构应用于反分析研究中的实现方法。通过FLAC3D预留的二次开发接口,修改其内置应变软化模型的数值计算格式,即对位于屈服面以外的应力点采用修正应力张量分量的方式替代主应力修正的方式,使修改后的本构模型可适用于各向异性的节理岩体,同时结合FISH语言编制的节理裂隙几何参数随开挖过程的演化程序实现对节理岩体等效柔度张量的更新,从而完成节理岩体损伤本构的FLAC3D二次开发。采用基于支持向量回归机与PSO-DE优化算法的增量位移反分析方法,应用该本构模型对思林水电站地下厂房围岩参数进行反分析。研究结果表明:对于开挖于含成组展布且相对结构尺寸为小量的断续节理岩体内的地下洞室位移反分析问题,将节理岩体损伤本构引入其中是一个很好的尝试,扰动区内围岩的等效弹模平均降低约为20.13%,计算增量位移值与量测值的相对误差在7.54%~16.56%,反分析成果是合理和可靠的。     

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。     

水电站地下厂房洞室群施工期围岩变形特征与稳定性

根据施工过程岩层揭露情况,结合围岩变形监测数据,分析围岩变形状况。根据施工期岩层探测结果,建立地下厂房洞室群大型有限元模型,利用变形监测数据,对地下厂房洞室群的围岩力学参数进行反演分析;结合数值仿真结果,分析围岩变形规律。研究结果表明:主厂房第一层开挖穿越Ⅲ_1,Ⅲ_2和Ⅳ类围岩,围岩变形受岩层性质影响较明显,在Ⅳ类围岩穿越的副厂房位置,围岩变形较大;厂横0+153.81断面的变形明显比其他断面的大,在后续开挖过程中应加强对Ⅳ类围岩变形的监控量测。     

初始地应力位移反分析计算的有限单元法

本文给出了一种由洞周围岩位移量测值反馈确定地层初始地应力的有限元计算法,包括线弹性问题和非线性问题。文中不仅给出了计算原理和公式,而且给出了平面应变问题非线性有限元计算法的程序框图和算例验证,可供工程实践采用。这一方法的主要特点,是利用现场易于量测的位移信息进行分析计算,并适用于任意洞形地下洞室的任意开挖阶段。此外,文中给出的平面应变问题有限元计算法还可排除洞室开挖的空间效应的影响,并能单独确定初始构造地应力,以便较为精确地确定初始地应力场的分布现律。本文还根据数理统计原理考虑了提高计算精度的方法。     

地下洞室形状优化设计

洞室开挖会使围岩周边产生应力集中 ,产生拉应力与压应力。围岩出现拉应力对洞室稳定十分不利 ,通常通过改变洞室形状和轴比来消除围岩中的拉应力。本文提出一种使洞室拉应力σθ=0 ,而压应力最小的确定洞室最优几何形状的方法。     

地下洞室形状优化设计

洞室开挖会使围岩周边产生应力集中，产生拉应力与压应力。围岩出现拉应力对洞室稳定十分不利。通常通过改变洞室形状和轴比来消除围岩中的拉应力。本文提出一种使洞室拉应力σθ＝0，而压应力最小的确定洞室最优几何形状的方法。     

基于萤火虫-支持向量机方法的地下厂房围岩力学参数反分析研究

将萤火虫算法应用于最小二乘支持向量机的核函数及其参数的优化,建立了萤火虫算法-最小二乘支持向量机反分析模型.结合溧阳抽水蓄能电站基本地质条件和监测数据,建立地下厂房块体离散元数值模型,反演获得围岩力学参数.研究结果表明:两个侧压力系数反演值分别为0.493、0.633,三类岩体弹性模量分别为11.82、5.48、2.33 GPa;将反演结果代入数值模型,最终得到的多点位移值与现场监测的位移值的最大误差为11.11%,满足精度要求;利用反演参数进行正演分析,基于地下洞室群开挖过程中的变形协同、应力分布、塑性区探讨了洞室群围岩稳定性.研究成果可为地下洞室稳定性控制提供参考.     

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.     

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。     

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.     

考虑材料软化的洞室围岩弹塑性分析的统一解

基于统一强度理论,考虑岩土材料的软化特性,用弹性塑性软化塑性残余三线性应力应变模型推导出了洞室围岩塑性残余区半径、塑性软化区半径、洞周边位移、围岩内任一点应力及围岩压力的解析计算公式。同时给出了洞室围岩所处应力状态的判别式。得出的解答具有广泛意义。著名的Kastner公式、Airey公式均为本文的特例。通过实例分析了软化及不同强度模型对计算结果的影响。     

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。