大型地下洞室群稳定性地质力学模型试验研究

某地下厂房洞室群规模巨大,地质条件复杂,为了研究地下洞室群开挖施工过程中的应力及稳定情况,采用平面地质力学模型试验,模拟厂区实际地质条件和洞体结构,施加初始地应力荷载,分别对毛洞情况和支护情况按推荐开挖顺序进行试验研究。试验结果表明,毛洞情况开挖过程中洞周位移未发生突变,开挖完毕后,洞周围岩位移均指向洞内,位移量值不大,洞周围岩未出现切向拉应力,围岩具有一定的超载安全储备。锚固支护后,洞周位移减小,洞周围岩应力分布趋于均匀,应力状态得到改善,超载安全系数得到提高,锚固支护效果明显,除了洞室交叉口和洞室拱座处局部发生应力集中外,整个洞室群开挖后围岩应力分布规律正常,应力状态良好,说明施工开挖方式和锚固支护参数是合理的。模型试验和三维非线性有限元计算结果相比较,位移变化规律、破坏形态规律基本一致,从而达到了相互验证的目的。     

地下洞室模型试验研究

介绍了地下洞室模型试验研究的目的、内容、原理和方法,结合具体工程的模型试验结果,说明模型试验在复杂地质条件下,地下洞室围岩应力和位移分布以及破坏形态和机理分析中的应用。指出模型试验仍然是复杂地质条件下大型地下洞室围岩稳定性分析的重要手段之一,其与数值计算不可相互替代;而二者的相互结合和补充,则是地下洞室围岩稳定性研究的重要发展方向。     

大型洞室群稳定性分析与智能动态优化设计的数值仿真研究

 为实现数值仿真计算结果能准确反映大型洞室围岩实际力学行为,结合锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室群稳定性分析,在阐述大型地下洞室群数值仿真计算要点基础上,首先重点从岩体本构模型识别和力学参数识别2个方面详细介绍如何实现数值仿真计算的正确化。采用考虑空间分布协调的多元监测信息的6次岩体力学参数跟踪识别,获得锦屏二级地下厂房岩体的等效力学参数,从而通过参数反分析的方法在一定程度上证明岩体等效力学参数具有相对稳定性和可识别性。同时,结合数值模拟展现出的围岩应力、变形、塑性区等方面计算结果与工程岩体的具体地质条件和洞室群结构特点,论述锦屏二级水电站地下厂房上游高边墙变形较大、下游侧拱围岩与喷混凝土破坏、母线洞环状开裂、交叉洞口局部塌落等洞室围岩的变形与破坏机制。最后,结合锦屏二级地下厂房枢纽洞室群稳定性分析与实践的研究认识,对大型地下洞室修建中诸如结构面密集的高边墙支护问题、围岩应力集中区支护问题、工程区地下水对围岩稳定性影响等问题进行论述,并探讨如何通过数值仿真计算、现场监测与经验丰富的专业人员的有机结合来实现大型地下洞室群稳定性设计的科学化。     

大型地下洞室极限位移预测与稳定性分析

 建立大型地下洞室的随机权重粒子群算法–最小二乘支持向量机(RandWPSO-LSSVM)预测模型,通过实例检验预测模型的可靠性,应用于糯扎渡水电站大型调压井洞室围岩的极限位移预测分析,并与数值计算结果对比分析,综合评价工程区围岩的稳定性。研究结果表明,RandWPSO-LSSVM预测模型所预测的极限位移相对真实值的最大误差为6.72%,误差较小,预测效果较好,满足工程要求;糯扎渡水电站大型调压井地下洞室在设计支护参数情况下数值计算的最大位移为19.45 mm,最大拉应力为0.54 MPa,均分布在五洞交叉口边墙位置,远小于微新风化岩体抗拉强度,塑性区也较少,围岩最大位移小于五洞交叉口边墙位置的极限位移预测值,工程区围岩较稳定;研究结果对提前预估大型地下工程的稳定性具有重要意义,可为合理制订施工决策提供参考。     

真三轴荷载条件下大型地质力学模型试验系统的研制及其应用

 为研究深埋、高地应力条件下地下洞群围岩稳定性,新研制大型真三轴加载地质力学模型试验系统,该系统主要由三维钢结构台架装置和液压加载控制系统组成,可实现全三轴应力状态下在侧向施加梯级荷载。在各加载面上研制和布设组合型滚珠式滑动墙,实现新型超低减摩技术。用该系统开展洞群开挖支护的模型试验,在试验技术和模型制作工艺上有了创新和重大改进：采用预制模块堆砌黏结成型的工艺方法制作模型,提高全模型在力学性能上的一致性;采用数字照相变形量测技术、基于光纤Bragg光栅的棒式位移传感器和新研制的高精度光栅尺型微型多点位移计进行围岩内变形量测;新研发施作注浆锚杆和预应力锚索的独到工艺技术;还开展大埋深条件下的超载试验,观察到围岩破坏的发展过程,试验结果还与数值分析进行对比。研究的方法技术及结果将对类似工程研究有一定的指导和借鉴意义。     

洞室围岩薄弱区三维数值模拟研究

洞室围岩破坏通常是从局部开始的，首先破坏的部位就是围岩的薄弱部位或关键部位。对薄弱部位及时加固将收到事半功倍的效果。围岩软弱层带和围岩应力集中是形成薄弱区的两种基本原因。围岩的薄弱部位既具有一定的规律性，又可因岩体结构特征、初始地应力场、洞室形态和洞轴线展布方向、开挖方式的不同而有所区别。对泰安抽水蓄能电站地下洞群围岩稳定性进行了三维有限元数值模拟研究，结果表明：围岩最薄弱部位有时可能在距洞端一定距离上：围岩稳定性分析中选择洞室中部垂直洞轴线剖面作为典型剖面进行稳定性分析，由此而获得的计算结果有时可能偏于不安全。对于复杂的大型地下洞室群，应采用三维数值分析方法进行模拟才能找出潜在的围岩薄弱区。     

水电站地下厂房开挖过程弹塑性数值分析

采用三维弹塑性有限元计算,对某水电站地下厂房开挖过程进行了数值模拟,分析了开挖过程中毛洞周边围岩位移和应力的变化规律,分析结果表明厂房由于洞室围岩比较破碎,围岩开挖变形量较大,洞室的稳定性较差,开挖后要及时施工支护结构。     

地下大型洞室群稳定性的系统性研究

以某大型水电站洞室群工程的地下结构模式为背景，用数值模拟方法计算了上百个算例，研究了4大岩类、4种埋深在不同侧向地应力条件下洞壁位移量的变化规律，并拟合出用多项式表达的公式，它可以预测围岩在不同条件下的位移量。在此基础上，提出了以相对位移量为围岩稳定性判据的具体数值，它可做为是否需施加长锚索加固围岩的参考依据。同时提出，在许多情况下，需在围岩近区考虑存在一个松弛开裂区，使数值分析更为接近实际。最后通过一个工程实例，模拟计算了存在松弛区时的围岩位移量。计算结果与实测结果相符良好。     

以二滩工程为背景的洞群开挖系统分析

采用三维有限差分FLAC3D程序,以二滩工程地下洞群的结构形式为背景,考虑了几种主要不同因素的影响对围岩稳定性进行了大量计算工况的准三维数值模拟。对毛洞开挖时主厂房边墙关键点的最大水平位移和主厂房的塑性区进行了系统分析,得到若干规律性结果,可供大型地下洞室群稳定分析时作为参考。运用本文提供的方法对八个大型工程的位移做了预测分析,表明此方法的有效性。     

官地电站高应力大跨度洞室群围岩稳定性评价

官地电站厂房地处高山峡谷段、高地应力区、高地震烈度区等,地质条件复杂。在基本工程地质条件和结构面统计分析的基础上,确定洞室群开挖后可能出现的块体并评价其稳定性。高地应力环境下的大跨度地下洞室群的稳定性分析研究评价较为复杂,应根据地应力、地质体等采取不同的分析评价方法。官地电站运用多种方法进行岩体质量分析,运用地质分析法和数值模拟法综合确定研究区的地应力场分布规律,运用有限元法研究地下洞室群的开挖效应及群洞效应,最后进行大型地下洞室群围岩稳定性评价,做到即有宏观指导又有具体稳定性研究,确保了围岩的稳定。     

基于层状岩体卸荷演化的锦屏I级地下厂房洞室群稳定性与调控

 锦屏I级水电站地下厂房洞室群开挖支护设计与施工控制以及整体稳定性等问题十分突出,施工期已经明显呈现出高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏特征。根据锦屏I级地下厂房层状岩体力学特性,采用考虑卸荷演化的层状岩体本构模型及其数值模拟方法,反演获得初始地应力场以及层状岩体力学参数。在此基础上,对锦屏I级地下厂房洞室群进行三维数值模拟分析,获得一些对高应力下锦屏I级水电站大型地下洞室群施工期围岩稳定与支护安全等方面的认识,提出洞室群围岩应力释放调控、松弛区承载力调控以及变形开裂调控等适时工程调控措施与建议。研究结果表明,洞室群整体开挖完成后的现场监测结果和围岩稳定现状等证实了所提出的认识和调控措施的合理性,表明层状岩体本构模型及其数值模拟分析方法能够较好地反映高应力下层状岩体中大型地下洞室群施工期的工作性状。     

三维边界元在地下洞群围岩变形与稳定分析中的应用

本文应用边界元静动力分析程序包BESDAP对某大型水利工程地下洞群的围岩变形与稳定进行了计算分析。针对边界元法在大型工程应用中的一些共同的特点与要求,对若干重要的计算技术问题作了有效的处理。计算成果给出了各洞室之间的相互影响、各洞室的孔边位移、应力以及洞周的剪切破坏区。整个计算过程与最终成果均表明边界元法的各种优点在地下洞群围岩分析中表现得特别显著。     

龙滩水电站地下厂房主支洞交叉处稳定性分析

根据龙滩水电站地下厂房巨型地下洞室群的布置情况,结合洞室围岩为顺层断层和节理发育的高陡倾角层状岩体的地质特点,建立了三维有限元计算模型,并针对主支洞交叉处岩体的稳定性分析进行了分步开挖下的弹塑性数值模拟.计算结果表明：主支洞交叉处的岩体是应力松弛和塑性区的主要分布区域,该处岩体变形量大,具有明显的非对称性.现有的加固方案是有效、安全的,这一结果可供工程参考.     

杨房沟水电站地下厂房围岩稳定分析

杨房沟水电站地下厂房是典型的大跨度、高边墙地下洞室群,工程区地质条件较复杂,高边墙及洞室间岩柱的稳定性是洞室设计的关键。根据地应力测试数据,采用边界位移条件回归方法,构造出厂区初始地应力场。采用FLAC3D软件对洞室群围岩稳定进行计算分析,获得洞周围岩变形与应力特征、塑性区分布及支护结构的受力状态,对地下厂房洞室群围岩稳定性做出评价,为洞室设计提供了科学依据与技术指导。     

复杂地下洞室群开挖方案优化

某地下洞室群,主洞室断面很大,支洞较多,距离较近,且断面变化复杂.考虑到支洞室开挖对主洞室围岩位移、结构受力的影响,特选择三种支洞开挖顺序用FLAC进行数值模拟.对比分析了三种开挖方法时引起的主洞室围岩周边位移、围岩塑性破坏区和主支洞交接处应力的变化特点,比选出较为有利的开挖方法,并得出了一些有意义的结论,可供类似复杂洞室群的开挖方案参考.     

节理岩体中洞室围岩大变形数值模拟及模型试验研究

根据节理岩体的特性，按弹簧块体理论模拟节理岩体中大型地下洞室开挖与锚杆支护的变形特征。同时，开展了开挖条件下节理围岩变形特性和锚固效应的模型试验研究，得到不同初始地应力场条件下，大型地下洞室分步开挖和锚杆支护的围岩力学行为的变化规律，数值计算结果和实测结果所反映的节理岩体围岩的运动规律基本一致。     

2400m埋深地下实验室洞群布置模式优化研究

深部地下试验室是未来人类开采深部资源的基础,中国锦屏地下实验室是全世界埋深最深的地下实验室,锦屏地下试验室二期#8实验洞的建设或许涉及极深岩石力学研究方向,故拟在#8实验洞内设计开挖多个实验洞群以开展原位力学测试及原理探索。然而,实验洞群的布置模式直接影响地下实验室的长期稳定特性。针对高地应力赋存环境地下实验洞室群开挖,建立了FLAC3D三维数值模型,对比研究了同侧相邻洞室不同间距和异侧洞室不同布置工况下,后续洞室开挖对已建洞室围岩稳定性的影响,并用位移变化值作为地下洞室群布置工况评价指标,判识开挖对已建洞室的影响程度。结果表明:同侧相邻洞室间距8 m,异侧洞室对称布置为最优布置工况。研究成果可直接指导锦屏地下实验室二期#8实验洞内实验洞群的布置设计,为其他高地应力环境下洞室群布置提供参考。     

大型地下厂房洞室群围岩稳定分析

 锦屏一级水电站最大坝高305 m,为混凝土双曲拱坝,电站装机容量360×104 kW,总库容77.6×108 m3,调节库容49.1×108 m3,是目前已建、在建和设计中的世界最高拱坝,其设计难度处于世界最高水平。针对地下厂区围岩类别较低、结构面发育、高地应力场以及洞室群规模巨大等情况,应用损伤力学理论,对地下洞室群的稳定性进行三维非线性弹塑性损伤有限元模拟计算,以判定地下厂房洞室群布置、施工开挖顺序、围岩支护参数的合理性,并对数值模拟结果与地质力学模型试验结果进行对比分析。结果表明,数值模拟和模型试验结果基本吻合,地下厂房洞室群围岩的整体稳定状态良好。     

十字岩柱法隧道开挖地质力学模型试验研究

 以重庆市轨道交通三号线为工程背景,开展十字岩柱暗挖法地质力学模型试验研究,优化大断面隧道开挖工序,进行围岩岩土相似材料配比试验、模拟洞室开挖过程中锚固注浆加固作用、洞室开挖过程的围岩位移变形监测分析。试验结果表明：研制的钢结构台架可成功模拟加围压条件下的洞室开挖,可直观地观察到模型开挖时围岩的渐进破坏过程。模型试验采用的监测系统能对开挖过程中洞室围岩的位移进行实时监测,实现了开挖支护与监测记录同步进行。根据相关参数建立数值分析模型,将数值计算结果与试验实测结果进行对比分析可知：二者结果基本一致,规律大致相同,且最终位移值满足试验要求,表明模型试验取得了较为理想的效果。研究工作对实际工程施工及今后类似模型试验研究的发展具有一定指导作用。     

大型洞室群智能动态设计方法及其实践

 针对复杂地质条件下高边墙、多洞交叉的大型洞室群多步开挖过程中的强卸荷特点,采用经验类比、数值分析、智能分析等方法的综合集成,提出复杂条件下大型洞室群稳定性分析、开挖过程与支护设计的智能动态设计方法。该方法以解决大型地下洞室群不同设计阶段稳定性需要解决的关键问题为目标,从地质条件的认识、地应力分布特征的把握、高边墙多洞室交叉的围岩变形破坏机制的理解到围岩稳定性评价、破坏模式识别、调控措施(开挖过程和支护方案)全局优化以及施工过程中的反馈分析与动态调整的系统全过程进行研究,论述地下洞室群修建前的初步设计方法和洞群修建过程中的动态最终设计方法。在锦屏二级水电站地下厂房设计与施工全过程的应用实践表明,该方法可以实现大型洞室群设计与施工的信息化、智能化和科学化。