深埋隧洞TBM施工过程围岩损伤演化声发射试验

锦屏二级水电站深埋引水隧洞处于西南高应力区,地质条件复杂,岩爆、突水、塌方等工程地质灾害突出,掌握TBM开挖围岩损伤演化规律,设计有效的支护方案防治TBM施工过程地质灾害的发生是非常重要的。为此,开展TBM施工过程中声发射监测试验,研究TBM开挖过程中围岩损伤的演化规律。试验结果表明:沿洞轴线方向,TBM开挖时掌子面前约10m的范围内围岩已受到不同程度的损伤,TBM开挖后围岩损伤破裂主要集中在掌子面后7m的范围内,其中以掌子面后3m时为最;沿洞径方向,围岩受损伤的范围约9m,根据损伤程度的不同,划分为松动区、损伤区和扰动区,依次为距洞壁3,3～9和9～22m的范围。从力学的角度揭示损伤演化的机制和松动区、损伤区和扰动区划分的依据,为支护措施设计与支护时机的选取提供科学依据。分析讨论传感器选取、传感器布置、现场噪音及地质条件等各种因素对围岩损伤结果的影响及进一步发展和研究的方向。     

考虑渗流-应力耦合效应的深埋引水隧洞衬砌损伤演化分析

高地应力和高(外、内)水压力是影响深埋引水隧洞围岩稳定性及衬砌结构安全性的主要因素.基于等效饱和多孔介质理论,将裂隙岩体和衬砌混凝土视为具有透水特性的弹塑性损伤材料,并考虑各自的变形特性与渗透系数的动态演化规律,进行锦屏二级水电站深埋引水隧洞围岩与衬砌结构施工期和运行期渗流-应力全耦合分析.分析结果表明:施工期隧洞周边排水对开挖损伤区影响较大,内水外渗现象对地下水位和围岩结构的安全性影响不大,但内水外渗情况下隧洞的开挖损伤区对衬砌结构较为不利,将导致该部位混凝土出现拉损伤区和压损伤区,应对开挖损伤区采取一定的处理措施.     

大坂膨胀性泥岩引水隧洞长期稳定性分析

 结合室内三轴蠕变试验与数值仿真技术,研究大坂引水隧洞膨胀性泥岩饱水状态下蠕变力学特性,建立泥岩非线性蠕变力学模型,并开展大坂引水隧洞TBM施工开挖、支护、长期运营过程的饱和渗流–应力耦合仿真计算。重点模拟TBM开挖预留变形、初次支护半年后顶管片和侧管片开裂破坏问题,以及采取锚杆、围岩注浆、二次衬砌和钢支撑相结合的联合二次支护措施后隧洞长期安全性的评价与设计验证问题,研究成果为引水隧洞的支护设计提供依据,对同类工程的研究具有一定参考意义。     

猴子岩水电站深埋地下厂房开挖损伤区特征分析

 以猴子岩水电站地下厂房为研究对象,利用常规测试和微震监测技术,对开挖过程厂房高边墙围岩损伤区进行现场原位试验。基于一系列常规测试和微震监测结果分析,揭示了围岩变形破坏特征,得到厂房开挖卸荷过程围岩裂隙的萌生、发育和扩展的演化过程,分析了围岩开挖损伤区范围、裂隙演化与施工动态之间的相互关系,探讨了开挖损伤区的形成和演化机制。研究结果为猴子岩水电站地下厂房开挖、支护设计、围岩变形特性和地质资料分析提供了参考依据。相关研究工作作为地下厂房开挖、支护参数设计的重要依据,取得了较好的经济效益,对类似地下工程的设计施工有一定的参考价值和借鉴意义。     

基于声发射试验的TBM隧道施工围岩损伤及应用研究

高黎贡山隧道作为大瑞铁路关键性控制工程,沿线地质极其复杂,各种地质灾害大大降低了TBM施工效率,为掌握TBM掘进前后隧道周边围岩的损伤演化规律,以提出合理的手段和方法处理TBM施工中遇到的地质灾害,通过提取TBM施工现场声发射试验数据,分析基于掌子面周围围岩的损伤演化规律,提出围岩松动区、损伤区和扰动区划分依据,为获取超前钻孔打设区域、支护锚杆打设深度及高地应力区TBM合理的掘进参数提供科学依据。     

深部岩体开挖方式对损伤区影响的试验研究

 深埋隧洞开挖过程中,钻爆法和TBM开挖所对应的不同围岩应力调整路径对开挖损伤区的形成有重要影响,但这一影响尚未引起足够的重视。依托锦屏二级水电站深埋隧洞群的开挖,通过损伤区原位检测试验对比分析2种不同开挖方式下围岩损伤区的特性及形成原因;作为现场试验的补充,在考虑锦屏大理岩基本力学特性和应力瞬态调整效应的基础上,采用数值方法比较应力瞬态和准静态调整所分别形成的开挖损伤区大小。试验结果表明,锦屏二级引水隧洞钻爆开挖的洞段,内损伤区(即严重损伤区)深度可以占到总损伤区深度的50%以上,岩体基本失去承载力。另外,此区域在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一;而TBM开挖洞段,内损伤区深度约占总损伤区深度的30％,该区域的形成可能更多地受到锦屏大理岩强度时间效应的影响,是表面应力松弛破坏逐渐发展的结果;考虑锦屏大理岩脆–延–塑性转换特性和应力瞬态调整效应后,可以利用数值计算方法较为客观地估计不同开挖应力路径下围岩开挖损伤区的范围。研究结论对深埋隧洞开挖方式选择及支护策略制定具有借鉴意义。     

非饱和岩体弹塑性损伤模型研究与应用

从多孔介质的角度,首先建立岩石孔隙度与体积应变之间的关系,在此基础上定义材料的渗透系数、孔隙度、损伤变量和饱和度的基于孔隙度变化的动态演化关系式;然后基于多孔介质有效应力原理,提出非饱和渗流应力耦合的弹塑性损伤本构模型;最后将所建模型通过子程序导入大型非线性有限元分析软件ABAQUS,对锦屏水电站引水隧洞开挖过程中的围岩变形、应力、塑性区、孔隙水压力、损伤及孔隙度演化进行计算与分析,研究结果对引水隧洞的开挖与支护设计具有一定的参考价值和借鉴意义.数值计算结果表明,所建模型合理,可反映围岩饱和-非饱和-再饱和过程中变形、损伤演化的机制.     

深部硬岩开挖隧洞围岩稳定性数值模拟

通过RFPA方法考虑岩石材料的细观非均匀特性,对深埋硬岩隧洞全断面一次开挖和分断面多次开挖进行数值模拟分析,直观呈现隧道围岩破裂面位置与形态渐进破坏诱致失稳的演化全过程,并与现场破坏情况对比研究,旨在揭示两种不同施工过程中应力演化、位移扩展、能量释放多个特征方面对围岩稳定性的影响及其破坏机制。数值模拟结果表明,隧洞围岩稳定性采用分断面多次开挖优于全断面一次开挖方式,为应对1#引水隧洞TBM掘进到锦屏山核部强岩爆风险,排引2#横通道往西洞段采用钻爆法超前实施导洞方案为最佳。虽然分断面开挖可以显著地降低围岩破坏风险,但不能彻底排除多次扩挖过程中围岩大塌方的情况,则建议这些洞段直接钻爆扩挖到位,让TBM步进安全通过为宜。同时深埋硬岩"城门型"隧道的破坏机制是来自侧壁破坏为主而拱形部位不存在压力拱破坏,与浅埋隧道的破坏在拱顶的破坏机制有明显区别,对认识隧道破坏机制有重要意义。     

锦屏二级水电站深埋引水隧洞稳定性研究

裂隙岩体的渗流应力耦合机理是岩体水力学的研究重点。基于多孔介质有效应力原理,以体积应变为切入点,建立了考虑岩体变形特性的渗透系数动态演化方程和弹塑性耦合损伤本构模型,并将所建立的本构模型编制程序导入到大型商用有限元程序ABAQUS,研究锦屏二级水电站深埋引水隧洞运营期围岩和衬砌的受力和变形特征。研究成果表明:考虑渗透系数动态演化的力学模型可以更好地反映隧洞运营期衬砌的外水压力特征,比不考虑渗透系数动态演化的计算结果更加合理,由于锦屏4个引水隧洞的间距较大,隧洞开挖和运行放水所产生的裂隙损伤演化区没有形成贯通区域。     

浅析N-J工程不良地质条件下敞开式TBM掘进施工

为解决不良地质条件对TBM掘进施工造成的极大困难,结合N-J水电站工程引水隧洞敞开式TBM掘进段试掘进期间的施工实践,首先总结了敞开式TBM隧洞围岩分级方法;然后根据收敛变形、多点位移计等监测结果,通过不断调整、优化,总结了对应于TBM隧洞围岩分级的支护结构参数;最后将该支护结构参数与钻爆法的支护参数进行比较,给出了围岩破碎带敞开式TBM施工的技术措施,确保TBM能在安全、稳妥的条件下施工。     

不同层厚层状岩体对TBM开挖的影响

 TBM的开挖效果在很大程度上受到节理间距的影响,TBM掘进速度随节理间距变小而增大,但节理间距过小,会造成掌子面岩体不稳,不利于TBM开挖。锦屏II级水电站引水隧洞洞段主要以层状大理岩为主,沿洞轴线方向大理岩层层厚变化较大,从几厘米到几米不等,层面是岩体中主要的不连续面,且层面与隧道轴线大角度相交。TBM的破岩过程主要受到高地应力条件和岩体层厚的影响。从TBM破岩机制角度,分析在高地应力条件下TBM在薄层面、中薄层面和厚层面大理岩层状岩体中的开挖表现,研究岩层厚度对TBM开挖的影响。     

地下洞群主厂房边墙裂缝带监测与研究

在我国,许多已建或在建的水电站地下洞群工程中经常发现洞室高边墙有陡倾角脆性劈裂带或大裂缝。为了探究大型地下厂房边墙裂缝带的分布情况、发育程度和形成原因,作者以瀑布沟工程地下厂房群为研究对象,在4号母线洞两侧的岩柱打了四个贯穿于主厂房与主变室的观测钻孔,采用钻孔电视成像仪和数字式全景钻孔摄像系统进行观测,得到主厂房下游边墙的裂缝分布状况。观测结果表明,大角度裂隙带的较密集部位,主要出现在距主厂房下游边墙约10m-15m和30m-35m范围之间的岩柱内,且随着时间的推移裂缝条数逐渐在增多。     

锦屏Ⅱ级水电站深部大理岩板裂化破坏试验研究及其对TBM开挖的影响

针对锦屏Ⅱ级水电站TBM引水洞及排水洞深部大理岩发生的剧烈板裂化岩爆与非剧烈板裂化片帮2种板裂化破坏现象,通过采集该工程区深部大理岩岩样,采用真三轴岩爆试验设备,对其在不同高应力作用下的板裂化破坏现象进行室内试验。通过对试验过程中发生的各种现象的全面描述和试验结果的分析表明,试验中岩样发生的板裂化破坏现象与TBM开挖隧道围岩的板裂化破坏具有很好的吻合性,未来围岩的主要破坏方式将以板裂化片帮与岩爆为主。围岩板裂化破坏将影响TBM开挖运行,分别探讨掌子面与洞壁板裂化破坏对TBM开挖的影响。     

不同TBM掘进速率下洞室围岩开挖扰动区研究

 在不同卸荷速率下三轴加卸载室内试验成果的基础上,以Hoek-Brown经验强度准则为依据,拟合出在不同卸荷速率下板岩的力学参数(黏聚力和内摩擦角)。在分析TBM掘进特点的基础上,提出能反映其特点的数值模拟方法,并在FLAC3D程序中引入加卸载准则,对不同掘进速率下隧洞围岩的开挖扰动效应进行数值模拟研究。结果显示：掘进速率越快,围岩开挖扰动效应越小,围岩越稳定;隧洞围岩在开挖后变形较为均匀;在隧洞的径向,位移和应力变化较为明显的呈现为3个区域,即强变化区、弱变化区和平稳区;最大主应力随着洞径方向逐渐由单向应力状态向二向应力状态和三向应力状态转变,第二偏应力不变量在隧洞轴向方向形成一闭合的应力集中区域,称为“应力墙”,该区域在TBM掘进过程中对刀头切割岩体达到破岩的效果极为有利;隧洞围岩开挖扰动区随TBM掘进速率变化较大,当掘进速率增加一倍后,其扰动区由1.1 m降低到0.4 m,减小了64%。     

TB880E掘进机主轴承在中天山隧道施工中故障分析

全断面隧道掘进机（TBM）作为目前隧道施工的先进设备已经得到成功应用并受到广泛关注，其核心部件主轴承决定着主机的使用寿命，在使用过程中主轴承的管理、维护和故障处理尤为重要。结合新疆吐库二线中天山隧道施工中使用的TB880E型敞开式全断面隧道掘进机主轴承出现的故障，分析其发生的原因、梳理由简到繁的故障可能因素、介绍采取的修复措施和成功排除故障的经验，提出了TBM主轴承的综合监测方案，可作为提高TBM设备完好率和利用率的参考依据。     

TBM施工隧道超欠挖对围岩及支护结构影响分析

结合西安 -南京线桃花铺 1 #隧道采用隧道掘进机 (TBM)施工实践 ,运用有限元法 ,针对TBM施工隧道中常见的轴线偏移问题 ,定量分析了TBM施工隧道超欠挖对隧道围岩及支护结构的影响 ,得出的结论可供同类工程参考。     

雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞TBM组装洞开挖

详细介绍了锦屏二级水电站东端3号引水隧洞工程TBM组装洞的开挖实践，着重阐述了TBM组装洞高边墙特大断面分四层十部的开挖方法与各层间施工的指导原则，对于国内同等类型的工程具有十分重要的指导意义。     

数字照相量测在岩石隧道模型试验中的应用研究

在节理岩石隧道的三轴相似模型试验研究中,应用数字照相变形量测技术,采用自行研发的岩土工程数字照相量测软件系统PhotoInfor,对隧道围岩的变形破坏模式和不同围压作用下的变形破裂演变过程进行试验观测和定性、定量分析;针对隧道围岩破裂带量测难点问题,提出一种基于图像相关分析的围岩破裂带的准确识别新方法——图像钻孔法,通过在试验图像上沿着隧道周边径向设置多组pixel测点(一组测点称之为一个图像钻孔,各组测点间距为1pixel),利用PhotoInfor得到隧道围岩破裂带分布图,根据各组图像钻孔测点位移的突变位置,可对围岩破裂带的范围进行准确界定,同时发现,隧道围岩破裂带产生后破裂区内岩块再破裂的现象,这将有助于进一步深入分析岩体破坏后的力学行为。研究结果表明:数字照相量测不仅在砂土模型试验中应用效果良好,也是岩石相似模型试验中有效的变形量测手段,在岩土力学与岩土工程试验研究领域中可广泛进行推广应用。     

锦屏二级水电站引水隧洞TBM开挖方案对岩爆风险影响研究

 为了提高施工效率,降低现场施工人员和设备的风险,锦屏二级水电站1#、3#引水隧洞采用大断面TBM进行施工。超大埋深TBM全断面施工,对于等级较强的岩爆,仍然可能会给TBM设备带来一定伤害。为此,通过微震实时监测和数值分析等手段,开展了TBM施工速度、导洞施工等TBM开挖方案对岩爆风险的影响研究。结果表明,降低TBM施工速率,有利于降低岩爆发生的风险;导洞施工+TBM联合施工对于极强岩爆风险的防范是十分有利的。研究成果可为TBM安全快速掘进提供重要的参考价值,也将为其他工程提供借鉴,具有重要的工程价值。     

高地应力作用下大理岩岩体的TBM掘进试验研究

滚刀破岩效率的研究主要集中在室内线性试验机破岩试验和数值分析2个方面,在工地开展TBM掘进试验尚不普遍。锦屏二级水电站采用3台TBM开挖隧道群,3台TBM在不同洞深(不同地应力)条件对大理岩岩体进行TBM掘进试验、岩石渣片筛分试验及大渣片统计分析,研究岩体条件、TBM机器参数、TBM运行参数对TBM掘进速度的影响及高地应力作用下岩体可掘性指数的变化。研究结果表明:在高地应力条件下,尽管TBM掘进速度随推力增加而增大,但推力超过一定值后,TBM并不在优化状态下运行,TBM的运行需与岩体条件及地应力条件相匹配。