西南某水电站厂房平洞围岩变形破坏特征分析

西南某水电站厂房平洞CPD1岩性组合较为复杂,且片理面发育。根据现场调查结果显示,洞室围岩变形破坏特征主要包括三种类型:结构型破坏、构造—应力型破坏、应力型破坏。主洞围岩总体稳定性良好,部分洞段出现掉块及劈裂倾倒破坏;支洞开挖方向与片理面方向小角度相交,围岩总体自稳性较差,在高地应力情况下出现严重的弯折内鼓现象,需采取一定的支护措施。     

十房高速通省隧道变形破坏原因分析

十房高速通省隧道围岩是具有一定倾角片理面的武当群片岩,在隧道施工过程中左洞ZK114+473桩号附近左拱腰部位出现钢拱腰压断现象。针对这一现象,在大量工程地质资料和现场调查的基础上,结合室内实验结果,综合分析了其变形破坏机理;并利用通用离散元程序UDEC进行隧道开挖后的力学特性和变形特性分析,得出在片岩岩性、片理面倾角和隧道偏压效应共同作用下在拱腰处产生的拉应力是隧道拱腰部位容易产生变形破坏的主要原因,对隧道的开挖和支护具有一定的指导意义。     

武当群片岩隧道剪切型纵向裂缝破坏机理

根据现场隧道监控测量数据分析武当群片岩隧道变形破坏特征,利用Phase2.Turnel有限元软件与实际监测结果相对比的方式,从围岩岩性特征,构造应力和片理面力学性质3个方面,探究十房高速公路通省特长隧道拱顶纵向裂缝形成机理.研究结果表明:该围岩不含蒙脱石,伊利石质量分数同样较低,因此,围岩内部膨胀力的作用可忽略;由于片理面的存在,拱顶两侧围岩发生差异破坏,片理面较低的抗剪强度是导致纵向裂缝的内在因素,其产状控制纵向裂缝的发生位置;随着片理面间距的减小,拱顶右侧产生类似偏压形成的拉伸破坏,是控制纵向裂缝次生裂缝的主导因素;而侧压力系数λ≥1.0的地质构造环境是产生该裂缝的诱发因素.     

平导对控制高应力隧道围岩变形的作用机理分析

传统意义上,平行导洞的作用在于为正洞开挖探明地质,并通过一系列横通道实现正洞"长隧短打".此工艺不仅具有分部开挖的特点,还可利用导洞解决排水问题,导洞挖通后,还可改善洞内通风条件.研究的堡镇隧道右线出口高地应力环境下软弱围岩中的平行导洞,围岩变形量大,变形速率大,变形持续时间长,隧道破坏严重.主要表现为拱顶下沉、边墙内挤、喷混凝土剥落、钢拱架扭曲、底鼓及仰拱开裂翘起、衬砌开裂等,变形破坏具有不均匀性和不对称性.与平导围岩变形特征相反,平导扩挖时的变形特征具有均匀性和对称性.从工程岩体二次演化、应力场二次演化以及平导围岩和平导扩挖围岩变形破坏特征等方面进行分析,提出了平行导洞在穿越高地应力软岩中能释放应力、减弱正洞围岩变形的破坏程度.     

平导对控制高应力隧道围岩变形的作用机理分析

传统意义上,平行导洞的作用在于为正洞开挖探明地质,并通过一系列横通道实现正洞“长隧短打”;不仅具有分部开挖的特点,还可利用导洞解决排水问题,导洞挖通后,还可改善洞内通风条件。本文所研究的堡镇隧道右线出口高地应力环境下软弱围岩中的平行导洞,围岩变形量大,变形速率大,变形持续时间长,隧道破坏严重,主要表现为拱顶下沉、边墙内挤、喷混凝土剥落、钢拱架扭曲、底鼓及仰拱开裂翘起、衬砌开裂等,变形破坏具有不均匀性和不对称性。与平导围岩变形特征相反,平导扩挖时的变形特征具有均匀性和对称性。本文从工程岩体二次演化、应力场二次演化以及平导围岩和平导扩挖围岩变形破坏特征等方面进行分析,提出了平行导洞在穿越高地应力软岩中具有释放应力、减弱正洞围岩变形破坏程度的观点。     

强降雨影响下破碎复理岩地层隧道洞口段失稳机理

针对强降雨下Kosman隧道冒顶事故,在现场实时监测基础上,结合离散元数值模拟,分析强降雨下围岩裂隙及渗流的动态变化规律。同时,用能量的方法对围岩破坏过程进行研究,分析围岩势能与动能转化过程,从能量的角度验证围岩不同区域的稳定性。研究结果表明:隧道开挖初期,围岩自承能力较好;降雨过程中,随着隧道顶部岩体节理渗流逐渐增大,岩石节理面刚度和强度逐步降低,地表至拱脚围岩扰动区出现大量剪切破坏裂缝,且数量及长度都随埋深增大而减少。贯通裂缝形成渗流通道导致降雨从拱顶处涌入洞内,洞周孔隙水压力及渗流场呈漏斗型并逐渐降低,围岩应力增大加剧沉降推动冒顶产生。     

断续节理倾角对围岩变形破坏影响的数值分析

断续节理的存在使围岩的稳定性、变形特征和应力分布更加复杂。基于颗粒流强度折减法,用PFC~(2D)分析不同倾角断续节理围岩的应力分布、变形特征及破坏模式。结果表明:随着节理倾角的增加,洞周应力集中的位置从倾角为0°时在洞左上、右下角逐渐逆时针旋转至倾角为90°时在洞两侧,同时节理间的应力分布从集中在对角线上逐渐变成均匀分布于整个岩块上,应力分布的不同最终导致围岩的破坏不同;节理与洞壁相交处位移较大,左右边墙中点位移受到断续节理倾角的影响远大于拱顶底中点位移受到的影响;断续节理倾角较小时,围岩损伤的范围更大且损伤更严重。为进一步了解在断续节理岩体中开挖洞室后围岩的破坏机理及采取相应的支护措施提供一定的指导。     

高轴向应力下围岩环状破裂模式及其影响因素

采用厚壁钢桶约束的含预制孔洞模型的轴向加载试验,研究在有围压高轴向应力条件下,洞壁围岩的环状破裂模式及其影响因素.试验结果表明:环状破裂是从洞壁剪切破坏带相互交割处开始,向远离洞壁方向开展的以拉为主的破裂,其在洞壁附近近似平行于洞壁临空面.对于近距离双洞隧道,由于两洞间应力场叠加强烈,在高轴向应力下,环状破裂将环绕两洞,呈椭圆形发展;当两洞距离较远,两洞间应力场叠加较弱时,环状破裂带将分别围绕单洞扩展.环状破裂的形成及破裂带间距与洞壁曲率、隧道断面尺寸和岩石材料非均匀性有关.     

锚固洞室拱部侧爆模型试验

通过室内模型试验,从洞室破坏形态、破坏过程、围岩径向应力、洞壁应变、拱顶和边墙位移、拱顶和底板加速度6个方面对直墙拱顶型锚固洞室在集中装药拱部侧爆条件下破坏情况和受力变形特点进行研究。试验结果表明:在拱部侧爆情况下,洞室破坏主要发生在迎爆侧半拱,破坏类型是在拱脚发生剪切破坏,在半拱中部发生拉伸破坏,洞室围岩径向应力是破坏的主要控制因素。洞室围岩以受压为主,变形主要表现为拱部和迎爆侧边墙向洞内发生位移。根据加速度测试数据,该类洞室设计时必需采取减震措施。     

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。     

高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响：以玉龙雪山隧道工程为例

为研究高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响,依托玉龙雪山隧道工程,基于现场长期监测数据,结合有限差分程序FLAC3D建立数值分析模型,研究超前平导对主洞围岩应力、围岩位移和塑性区分布的影响,明确主洞与平导间最优间距。研究结果表明:主洞开挖过程中,当掌子面与监测面距离为3.63倍主洞洞宽时,监测面拱顶沉降、上收敛、中收敛和下收敛值占最终变形值的80%以上,围岩变形稳定后上收敛值和中收敛值均大于拱顶沉降;平导超前开挖可有效改善主洞围岩应力环境,主洞与平导间距较大时,围岩应力改善效果不佳,随着二者间距逐渐减小,围岩应力改善效果逐渐增强,但主洞与平导间距过小时,二者开挖产生的塑性区会贯通,综合考虑,确定主洞与导洞最优间距为3.5倍导洞宽度;主洞拱顶沉降值和拱底隆起值随着主洞与平导间距的减小而增大,左右拱腰水平位移值随着主洞与平导间距的减小先减小后增大,当二者间距由5.0D减小至3.0D时,拱顶沉降值和拱底隆起值分别从-0.598m和0.426m增加至-0.679m和0.514m。     

基于单轴压缩试验的绿泥石片岩各向异性

为研究绿泥石片岩的各向异性,通过一系列室内试验分析其物质组成、微观结构,单轴压缩条件下宏、微观破坏特征及物理力学参数的变化,并揭示了其物理力学性能及力学行为各向异性的机制。研究结果表明:片理面是影响绿泥石片岩力学性质的弱面,对波速产生较大影响,使得平行片理面方向的波速为垂直片理面方向的8倍;在单轴压缩条件下,当试件片理面水平时,较之直立时更易变形,变形量更大,破坏模式为劈裂-剪切破坏,微观上呈穿晶断裂和沿晶断裂组合特征;当试件片理面直立时,破坏模式为竖向劈裂-张拉破坏,微观上呈沿晶断裂为主,所测得的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等物理力学参数分别为片理面水平时的1.9、3.5、5倍,各向异性十分明显。研究成果可为该类片岩区岩石工程设计与施工提供理论依据。     

深埋隧洞三岔口围岩稳定性计算理论

为研究辅洞与隧洞主洞相交的三岔口区围岩稳定性,基于弹塑性理论圆形孔口应力计算方法,推导出深埋隧洞三岔口围岩稳定性计算理论。研究结果表明:当辅洞与隧洞主洞夹角(α)为90°时,三岔口区围岩垂直应力σh达最大值,且σh随α和侧压力系数λ减小而减小;随着塑性圈半径R0减小,σh逐渐增大;由三岔口围岩到深部围岩,其应力集中系数K呈下降趋势;随着α增大,K也逐渐增大,直至α=90°时,K达到最大值;随着围岩等级降低,破坏深度Q逐渐增加,Ⅰ～Ⅳ级围岩三角区破坏深度递增趋势不明显,Ⅴ级围岩中破坏深度呈指数形式增加;当α一定时,理论最大等效跨度Ltmax仅与隧洞尺寸有关,极限等效跨度Lpmax还与Q有关;通过理论计算划定辅洞修建跨度的安全范围与极限范围。     

基于离散元地下厂房围岩变形破坏特征分析

为了研究结构面对中等地应力区地下厂房开挖过程中应力调整以及围岩变形破坏的影响,以某抽水蓄能电站地下厂房为研究对象,采用离散元软件3DEC对其开挖过程进行仿真计算.研究表明:在开挖断面不大时,掌子面附近的结构面会阻挡围岩应力向深部的调整,加剧拱脚处的应力集中程度,使围岩以应力型破坏为主;当开挖断面增大,围岩卸荷松弛明显,结构面控制型破坏将逐渐占优;用3DEC模拟出的陡倾型结构面的张开是围岩位移产生的主要原因,且其张开位移受前几期的开挖影响较大.研究成果可为类似陡倾角大跨度地下工程开挖的稳定性分析及支护设计提供借鉴.     

侧压影响下圆形洞室岩爆双轴物理模拟试验研究

为研究侧压影响下圆形洞室岩爆机制,采用双轴加载装置对含孔洞红砂岩试样进行了物理模拟试验,期间采用高速相机观测了孔洞破坏全过程。研究结果表明:岩爆过程可划分为平静期、剥落期、屈曲期和岩爆期四个时期;洞壁垂直起裂应力和岩爆V型槽破坏深度均随侧压增大而呈线性增大趋势。侧压主要从两方面影响岩爆发生:一是影响洞室破坏机制,当侧压较低时,洞壁垂直方向起裂应力小、水平方向应力梯度小,以拉伸破坏机制为主,破坏范围小,而侧压较大时,洞壁浅部区域破坏机制与低侧压时类似,但洞壁深部区域由于水平应力增加,受力类似三轴压缩,以剪切破坏机制为主,破坏范围大;二是影响洞壁能量积聚释放特征,由于侧压增大,平静期持续时间增加,而破坏期持续时间减小,造成洞壁破坏时单位时间内能量释放率增加,岩爆发生更加剧烈。     

原位扩建既有隧道竖井与主洞交叉段施工力学

以南岭铁路隧道原位扩建项目为工程背景,采用振弦式钻孔应力计监测隧道扩挖过程中围岩环向应力的变化.建立主洞与竖井交叉段扩挖过程的三维有限元模型,通过监测数据与模型结果对比,验证模型准确性,研究采用全断面法扩挖时围岩变形及应力随开挖过程的变化规律.在此基础上,分析扩挖方法和循环进尺对扩建稳定性的影响.结果表明:扩挖过程中,交叉点主洞拱脚和边墙的围岩环向应力表现为应力释放,通风竖井破坏了主洞的成拱效应;竖井与主洞交叉点相比于非交叉点,扩挖后隧道水平位移增大47.5%,隧道竖向位移增大29.3%,拱顶围岩应力由压应力转化为拉应力;采用全断面法扩挖对围岩的二次扰动程度更低,减小循环进尺也可有效提高扩挖施工的安全性.     

高地应力下地下厂房围岩破坏特征及地质力学机制

结合前期地质勘查、施工期地质编录及其他施工信息,分析四川猴子岩水电站地下厂房围岩及支护结构变形开裂特征,对围岩变形破坏的地质力学机制进行研究,并对后续开挖支护提出相应的工程应对措施。研究结果表明:主厂房围岩破坏以应力驱动型为主,本质上是高地应力和低强度应力比造成的;厂区地应力及其方向使得主厂房上下游侧岩锚梁-拱肩之间边墙部位的切向应力加载效应明显,围岩易于压致劈裂;利用应力莫尔圆解释了该地区围岩易于出现破坏的原因。     

岩爆隧道岩体质量评价的BQ法优化

探讨优化工程岩体分级标准BQ方法,使其更好地应用于岩爆隧道中。(1)综合RSR法、RMR法和HC法对结构面产状、洞轴线方向和掘进方向对围岩稳定性影响的考虑,对主要软弱结构面产状影响修正系数(K_2)进行了优化。当结构面走向与洞轴线垂直并且结构面陡倾,倾向与掘进方向同向时,围岩稳定性最好,K_2取小值;当结构面走向与洞轴线平行时,围岩稳定性最差,K_2取大值。(2)结合岩爆烈度分级体系,针对硬岩高地应力隧道,对初始应力状态影响修正系数(K_3)进行了优化。轻微岩爆对围岩基本质量指标BQ值较高的围岩影响较小,K_3取小值;岩爆级别越高,对围岩的稳定越不利,K_3取大值。对四川泥巴山隧道的部分掌子面围岩应用优化后的BQ方法重新计算[BQ]值并确定级别,分级结果与实际情况更吻合,能更好地用于确定围岩支护措施。     

浅埋泥岩隧道仰拱底鼓力学特性

为了研究浅埋泥岩隧道仰拱底鼓变形特征,提出一种新的模型试验法,以强制位移的加载方式模拟基底围岩的膨胀作用,对隧道基底围岩膨胀引起的衬砌与围岩受力变形破坏特征进行了系统分析。结果表明：泥岩隧道因基底膨胀作用发生仰拱底鼓后,衬砌的应力及洞周围岩压力分布发生显著变化;拱脚外侧和仰拱内侧表现为环向拉应力,容易出现受拉破坏;相较于衬砌的其他部位而言,拱脚和仰拱对基底膨胀的力学响应更为明显,且随着膨胀作用的增强,拱脚和仰拱之间的应力差值逐渐增大;按照围岩的失稳状态,将围岩压力的变化状态分为初期增长、中期稳定和末期快速增长3个阶段,在末期快速增长阶段,隧道竖向收敛值快速增加,衬砌应力增长速率变大,加剧了仰拱的破坏;基底膨胀作用下使得隧道两侧围岩容易失稳。研究结果可为泥岩隧道结构设计优化提供有益参考。     

综放大跨度三心微拱形开切眼围岩破坏机理与控制技术

针对松软厚煤层综放大跨度开切眼围岩控制难题,以魏家地煤矿2303工作面开切眼为工程背景,采用数值模拟与现场实践相结合的方法,提出了三心微拱形开切眼断面形状,探讨了三心微拱形开切眼围岩应力分布特征及破坏机理,并与矩形切眼对比分析。结果表明:三心微拱形开切眼的肩角和顶板受力均匀,能够将顶板垂直应力传递到两帮,肩部所受压应力明显减小,未出现较大应力集中现象;肩角附近围岩主要受到压剪破坏,破坏区域集中,呈"蝶形"分布;顶板围岩受到拉剪破坏,破坏区域面积减小,围岩相对稳定;且弧形顶板、肩角有利于锚杆安装。基于三心微拱形开切眼围岩破坏特征,提出了锚杆-锚索-锚网联合支护的围岩控制技术,顶板下沉量减少50%,两帮移近量减少55%;在2303工作面进行工业性试验,现场实测顶板下沉量为170 mm,两帮相对移近量为220 mm,围岩控制效果良好。