地应力张量特征对地下洞室轴线方位优化的启示

高应力是深埋洞室工程围岩变形和稳定的主控因素,初始地应力对洞室围岩的力学效应主要包括开挖释放荷载和偏应力状态两个方面;地应力与洞室轴线方位的特定组合决定了洞室开挖释放荷载的量值及围岩所承受偏压的程度。为量化既定地应力分布特征下地下洞室长轴线方位的选择区间,推导了一般条件下开挖洞壁面上的法向应力随洞室长轴线与最大主应力夹角的变化规律,并提出极大值和极小值贡献度两个指标,以度量主应力分量对法向应力的贡献。通过研究地应力张量在地下洞室特征平面上的应力椭圆特征随洞室轴线方位变化的方式,获得了围岩所承受偏压程度的变化规律;通过推导获得了地应力张量在水平面内大主应力方位角的解析公式,从理论上证明了当洞室轴线与地应力张量在水平面内的大主应力平行时,地下洞室开挖释放荷载取最小值。结合锦屏一级地下厂房对上述方法进行案例分析,结果表明:当洞室轴线与地应力张量在水平面上的大主应力平行时,开挖释放荷载取最小值;但一般情况下,很难使开挖释放荷载和偏压应力状态同时达到最优。对地下工程围岩稳定的影响而言,地应力是否有利取决于地应力张量的构成特征,因此,应注重对地应力张量空间特征的全面解析。     

高地应力条件下大型地下洞室群施工期围岩稳定特征研究

地应力水平高、岩体强度低是锦屏一级水电站地下厂房的主要特征,地下厂房施工期的围岩稳定问题十分突出。结合工程地质力学方法和三维有限元手段,对锦屏一级地下厂房施工过程进行了数值模拟,研究了地下厂房施工期围岩的应力变形规律、稳定性特征及围岩稳定主要影响因素。计算结果表明：围岩的应力变形、稳定状态受到断层、洞室布置及开挖支护程序的影响明显。围岩的应力随着开挖的不断进行而增大,最大应力出现的部位也在不断变化。随着开挖的进行,围岩的变形不断在增大,尤其是边墙的变形。在洞室交叉及断层出露部位,围岩的变形较大,塑性区基本贯通,应加强支护。     

地应力张量特征对地下洞室轴线方位优化的启示

高应力是深埋洞室工程围岩变形和稳定的主控因素,初始地应力对洞室围岩的力学效应主要包括开挖释放荷载和偏应力状态两个方面;地应力与洞室轴线方位的特定组合决定了洞室开挖释放荷载的量值以及围岩应力所承受偏压的程度。为了量化既定地应力分布特征下地下洞室长轴线方位的选择区间,推导了一般条件下开挖洞壁面上的法向应力随洞室长轴线与最大主应力夹角的变化规律,并提出极大值和极小值贡献度两个指标以度量主应力分量对法向应力的贡献。通过研究地应力张量在地下洞室特征平面上的Mohr应力圆特征随洞室轴线方位变化的方式获得了围岩所承受偏压程度的变化规律;同时,通过推导获得了地应力张量在水平面内大主应力方位角的解析公式,从理论上证明了当洞室轴线与地应力张量在水平面内的大主应力平行时,地下洞室开挖释放荷载取最小值。结合锦屏一级地下厂房对上述方法进行了案例分析,研究结果表明,当洞室轴线与地应力张量在水平面上的大主应力平行时,开挖释放荷载取最小值;然而,开挖释放荷载和偏压应力状态同时达到最优是困难的。对地下工程围岩稳定的影响而言,地应力是否有利取决于地应力张量的构成特征;因此,应注重对地应力张量空间特征的全面解析。     

大型地下洞室开挖数值模拟分析

以某水电站调压井大型地下洞室群施工为例,通过典型断面关键点位移、小主应力及安全系数随开挖步的变化,分析了开挖对大型地下洞室群围岩稳定造成的影响．数值计算表明,开挖过程中,围岩整体稳定性较好,但是围岩位移、小主应力随开挖步的不断递进而持续增大,关键点安全系数持续减小,最大位移与最大拉应力均位于调压井下部,分别为10．57mm及1．10MPa,局部关键点最小安全系数不满足规范要求,所以洞室开挖后需及时支护．计算表明,当二次衬砌高程大于关键点所处高程,该点安全系数明显增大,满足规范要求,且通过支护方案比选,调压井混凝土浇筑至625．5111高程是该工程最经济合理支护方案．     

基于FLAC~(3D)的某水电站大型地下洞室群开挖及锚固效应数值分析

根据地下洞室开挖和锚固施工方法,采用FLAC3D数值分析程序,对某大型水电站地下厂房复杂洞室群开挖过程进行了动态模拟,分析了在有、无支护条件下洞室周边围岩二次应力场、位移及破坏区分布规律和变化特征,说明采用隐含断层复合单元模拟断层、cable结构单元模拟锚杆、薄层实体单元模拟喷层能较合理反映地下洞室分期开挖实际力学作用机理.计算结果表明,该洞室群在洞室布局、开挖顺序和支护参数等方面是合理的,认为在局部加强支护的条件下,洞室的整体稳定可以得到保证.     

Y岔圆形调压井洞室围岩稳定和锚杆支护分析

采用三维非线性有限元弹塑性损伤力学对琅琊山地下电站的Y岔圆形调压井的洞室围岩进行了分析计算,对各种工况下的围岩稳定和支护参数的合理性进行了评述.根据岩体损伤开裂后的应力应变关系,提出了变损伤刚度迭代计算方法,有效地反应了岩体损伤开裂后的围岩破坏特性;采用隐式锚杆柱单元模拟锚杆的支护效应,合理地反应了洞室开挖过程中的锚杆支护受力特性.通过对地下Y岔圆形调压井洞室围岩稳定分析计算,论证了该方法的可行性与合理性,为同类地下工程问题演示了一套完整的分析计算方法.     

岩层走向对地下洞室围岩稳定的影响

层状岩体沿层面方向和垂直于层面方向的物理力学特性各异,表现出明显的各向异性,其破坏形式也与一般各向同性岩体不同.根据层状岩体的物理力学性质分析了其破坏特性及其迭代计算方法.采用三维非线性弹塑性有限元数值计算方法,从变形、破坏、应力和扰动综合分析了层状岩体中岩层走向对洞室围岩稳定的影响.通过对一工程实例中各种洞室厂房轴线的计算和比较,结合工程经验,得出层状岩体中地下洞室的合理轴线布置方式.分析结果与工程实际相吻合,为工程设计提供了比较可靠的理论依据.     

不同支护时机的地下洞室围岩稳定仿真

借助ABAQUS软件的前后处理和计算模块,根据地下洞室开挖释放荷载计算基本原理求得开挖荷载的等效节点力,并以等效节点力不同的施加比例模拟不同的洞室支护时机,对洞室围岩稳定进行了分析比较.结果表明,随着支护时间的延迟,支护应力逐渐变小,围岩塑性区和增量位移逐渐增大.计算结果符合地下工程施工过程的一般规律,表明该方法可行,为通用有限元软件在地下洞室围岩稳定分析中应用开辟了一条新的路径.     

复杂地下洞室围岩开挖扰动空间效应参数化研究

复杂地下洞室围岩开挖扰动区的形成和发展具有明显的空间效应。岩体开挖扰动损伤总体上表现为岩体变形模量的劣化。考虑到基于厚壁圆筒弹性力学分析的弹性模量压力和半径相关模型的应用局限性,提出开挖扰动区岩体变形模量的半径-位移相关模型,并对模型的多洞室适用性和参数敏感性进行了分析。该模型实质上是一个参数场模型,通过变形模量劣化参数场分布量化揭示开挖扰动的空间效应。以瀑布沟水电站大型地下厂房洞室群工程为例,基于位移监测信息,应用半径-位移相关模型对主厂房围岩开挖扰动的空间效应及围岩稳定性进行了参数化分析。围岩变形模量劣化参数场沿厂房轴线具有明显的空间不均匀性,沿深度方向呈现指数函数分布特征。结果表明:该模型为开挖扰动区岩体变形模量参数的确定提供了合理的数值计算方法;通过岩体变形模量半径-位移相关模型参数化分析开挖扰动的空间效应,对于地下洞室施工期快速监测反馈和围岩安全稳定性评判以及支护优化设计具有显著的工程适用性。     

泰安抽水蓄能水电站地下厂房围岩稳定性数值模拟及监测分析

应用快速三维拉格朗日差分法对泰安抽水蓄能水电站地下厂房进行了弹塑性数值模拟,准确的模拟了围岩的动态变化过程,对开挖前后围岩的位移场和应力场以及塑性区进行了比较分析.另外,还对该厂房围岩的变形监测资料进行了研究,得出在开挖和支护过程中围岩的变形特征和支护结构的受力特点;并将现场监测结果和位移计算结果进行比较,结果表明:模拟计算结果和监测结果规律基本一致,采用本计算方法模拟开挖大型地下洞室群具有较强的可行性,对今后的地下大型洞室群的稳定性分析具有参考意义.     

岩溶区地下厂房洞室群围岩渗流效应分析

岩溶渗流效应包括渗流场的力学效应和岩体软化效应。针对富水岩溶区地下工程的特殊赋存环境,提出了岩溶地下厂房3维渗流场力学效应耦合计算方法和基于强度折减原理的渗流软化效应分析方法。计算分析了不同工况、围岩不同软化程度下洞周变形破坏规律。提出地下洞群整体软化安全系数的确定方法,定量评价不同工况下地下厂房洞群围岩整体相对稳定状态,分析岩溶渗流软化效应对围岩稳定的影响。工程实例表明:考虑渗流场力学效应时,开挖完毕围岩变形都明显增大,变化规律与监测相符;对比无渗流场、考虑施工期渗流场和考虑运行期渗流场各工况的整体软化安全系数变化规律发现,渗流场软化效应显著;运行期正常蓄水后,地下水位的提高引致厂区渗流场调整,对围岩整体稳定存在明显影响。整体软化安全系数能够有效地反映渗流软化效应对岩溶地下厂房围岩稳定的影响,为岩溶区地下厂房工程优化设计、施工监测及安全运行评价提供有益参考。     

大跨度地下洞室群围岩多尺度块体稳定性预测方法

组成地下洞室的围岩存在不同尺度结构面所切割形成的不同尺度、不同形态结构体。这些结构体是导致施工期围岩失稳的主要因素,而且在洞室开挖前无法确定其具体位置,给围岩加固设计带来了困难。由勘探平洞地质调查获得的结构面资料,依据不同尺度结构面的成因、规模,预测其在开挖面上的出露位置十分重要。从结构面成因角度考虑,运用几何-力学耦合模拟方法,建立大跨度地下洞室围岩岩体结构模型;依据断层机制,运用力学成因拟合规模较大的断层、破碎带、层面,而基于现场结构面调查统计的结果,应用随机模拟方法并结合结构面连通率特征拟合随机结构面;采用正交试验及块体理论,确定由结构面组合形成块体的几何形态,搜索多尺度块体的分布,确定特定块体、半特定块体与随机块体的分布;进一步采用极限平衡理论,分析可能发生破坏的块体,得出洞室开挖面上需要加固的块体;最后,开发了基于几何-力学成因的多尺度结构面组合稳定性分析程序UNDGD2.0。他还以某在建抽水蓄能电站工程为例,搜索洞室不同开挖面上的块体组合类型与规模,分析由结构面组合构成局部块体的稳定性,为地下洞室开挖方案的确定及设计优化提供理论依据。     

大型地下水封石油洞库围岩完整性、变形和稳定性分析

围岩完整性、变形和稳定性对地下水封石油洞库建造具有至关重要的影响。以我国首个在建的大型不衬砌地下水封石油储备库项目为背景,运用弹塑性理论,在室内岩石三轴试验基础上,研究了花岗岩地层大型不衬砌地下水封石油洞库围岩的完整性以及变形和稳定性。研究表明:岩石的完整性从剪胀出现开始受到破坏,采用剪胀起始点对应摩擦角可对地下工程围岩开挖松动区进行估算;该大型地下水封石油洞库洞室开挖松动区范围从0~15.6m不等,且与埋深成正比;由于开挖过程中应力路径与剪胀线关系不同,各洞室间中墙完整性变化趋势存在差异;洞壁围岩位移方向与山丘地表走势相关,拱顶沉降和水平收敛值在8~45mm之间;在洞室底板位置出现了拉应力区,在洞库两侧边墙下端和起拱处出现高剪应力区,在开挖过程中可能出现局部破坏现象。     

Long-term stability analysis of large-scale underground plant of Xiangjiaba hydro-power station

Numerical analysis of the optimal supporting time and long-term stability index of the surrounding rocks in the underground plant of Xiangjiaba hydro-power station was carried out based on the rheological theory. Firstly, the mechanical parameters of each rock group were identified from the experimental data; secondly, the rheological calculation and analysis for the cavern in stepped excavation without supporting were made; finally, the optimal time for supporting at the characteristic point in a typical section was obtained while the creep rate and displacement after each excavation step has satisfied the criterion of the optimal supporting time. Excavation was repeated when the optimal time for supporting was identified, and the long-term stability creep time and the maximum creep deformation of the characteristic point were determined in accordance with the criterion of long-term stability index. It is shown that the optimal supporting time of the characteristic point in the underground plant of Xiangjiaba hydro-power station is 5–8 d, the long-term stability time of the typical section is 126 d, and the corresponding largest creep deformation is 24.30 mm. While the cavern is supported, the cavern deformation is significantly reduced and the stress states of the surrounding rock masses are remarkably improved.     

开挖中的围岩破裂性质与支护对象研究

为了保证地下工程的稳定和安全，研究地下工程的围岩状态和支护对象很有意义．在现场实测、物理和数值模拟的基础上，提出深埋地下工程的围岩中普遍存在破裂状态，并认为这一破裂状态区域具有许多特殊的性质和规律，是一个反映地应力和岩体强度对地下工程稳定性作用的综合指标．破裂区发展产生的碎胀变形或碎胀力是地下工程支护的对象或载荷来源．     

沙湾隧洞数学仿真模型分析及开挖方式研究

通过对沙湾地下隧洞工程的数学仿真模型的分析,以Ⅳ类围岩典型断面为例,计算围岩位移、围岩应力、衬砌及锚杆应力等,分析不同开挖方式对隧洞围岩稳定性的影响,探讨优选隧洞的支护及开挖方式,验证设计方案的合理性。     

龙滩巨型地下洞室群锚固效应分析

广西龙滩水电站地下厂房是典型的大跨度、高边墙地下洞室群 ,其所在位置工程地质条件复杂 ,围岩为陡倾角层状结构岩体 ,且层间错动较发育 ,断层较多 .主厂房和调压井的高边墙以及洞室间岩柱的稳定性分析 ,是围岩锚喷支护设计的关键 .本文采用快速拉格朗日分析法 (FLAC)对洞室的开挖进行了模拟 ,分析了毛洞开挖和加锚开挖两种工况 ,得出了一些有益的结论 .     

岩体地下工程局部围岩失稳的能量耗散突变判据

岩体地下工程的围岩稳定评判具有复杂的非线性特征,目前尚无确定性方法量化描述局部岩体系统的塑性失稳过程.在阐释开挖扰动与局部岩体系统失稳概念的基础上,借助突变理论,提出了岩体地下工程局部围岩系统开挖失稳的能量耗散突变判据.根据能量耗散原理及弹塑性有限元算法,定义了塑性耗散能密度(PDED)和表征耗散能(RPDE)的概念.通过表征耗散能突变特征值D判断系统失稳的状态,通过单元塑性耗散能密度的分布情况判断引起失稳的大致局部部位以及塑性破坏的可能程度.对锦屏一级水电站大型地下洞室群施工开挖过程进行了稳定分析,结果表明,该判据能够量化反映洞室局部围岩系统失稳的行为过程,与工程实践较为吻合,具有一定的工程参考价值.     

高地应力地区围岩劈裂破坏现场监测和能量耗散模型及应用

随着计算机的发展,数值模拟等技术在岩土领域的应用也越来越广泛。在进行埋深较大的地下洞室施工时,由于岩体的脆性特征,在高地应力作用下,洞室围岩容易出现劈裂破坏。因此,在深部岩体开挖过程中,对于围岩的劈裂破坏区域的预测格外重要。但是目前在现有的计算模型中,尚没有能够很好描述劈裂破坏特性的有限差分本构模型。本文从能量耗散原理出发,结合了横观各向同性模型,采用劈裂破坏准则对模型单元应力状态进行判断,利用FLACE3D的二次开发功能,在C++的编译环境下对模型进行如下改进,在原有模型中导入能量耗散理论和加卸载判据,得到新的自定义横观各向同性计算模型。该模型可以判断岩体所处的加卸载状态,并根据岩石状态使用不同的力学参数进行计算,并且还能够描述高地应力地区围岩产生竖向劈裂裂纹后,不同方向上围岩的不同力学性质。在此基础上对大岗山水电站大型地下洞室群开挖过程中的稳定性进行了计算。另一方面,在大岗山水电站大型地下洞室群开挖工程现场开展了洞周围岩劈裂破坏区的监测,采用钻孔电视、滑动测微计以及形变电阻率三种观测方法,测得了主厂房在进行各个开挖步开挖时,主厂房与主变室之间岩桥中围岩的位移以及劈裂破坏的情况。之后,将现场监测结果与不同本构模型的稳定性分析的计算结果进行对比。并得到以下结论：根据监测结果,大岗山水电站地下洞室群在进行开挖时,主厂房下游边墙围岩的劈裂区平均深度约为13~15m,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算所得主厂房下游边墙劈裂区平均深度约为13.6m,二者十分接近;主厂房洞室在进行开挖施工后,随着与临空面的距离增加,围岩内部关键点的位移逐渐减小,在靠近主变室边墙附近,由于又形成了新的劈裂破坏区,因此围岩关键点位移又逐渐增加,考虑能量耗散的横观各向同性模型可以较好的反应围岩位移变化趋势,与监测曲线吻合度较高,而使用摩尔库伦模型以及横观各向同性模型计算得到的曲线则与监测曲线有较大区别;根据稳定性分析结果,主厂房下游边墙吊车梁位置关键点和主厂房洞中关键点开挖后洞壁出现的位移较大,其最大水平位移为29.46mm。主厂房拱顶在开挖的初期位移较大,拱顶竖直位移最大值为10.58mm。主变室拱顶竖直位移为10.06mm。结果表明,对比其他现有的有限差分模型,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算结果与实际监测值最接近,可以反应不同开挖步时,围岩内部关键点位移的变化趋势。因此在高地应力地区地下洞室开挖时,可以使用该模型对洞周围岩的劈裂区进行计算与预测,以及在洞室开挖完成后对洞室围岩的稳定性进行分析,并参考计算结果对关键区域加强监测与管理,从而减小围岩劈裂破坏对洞室稳定性的影响。