岩溶尺寸对隧道围岩稳定性影响的模型试验研究

利用公路隧道结构与围岩综合试验系统，对石灰岩地区大断面隧道开挖过程中，不同大小溶洞对隧道围岩稳定性的影响进行相似模型试验研究，并运用ANSYS软件进行了弹塑性有限元数值分析：三维动态施工过程模拟与试验结果均表明，溶洞对围岩的变形有较大影响，随着溶洞尺寸的增加，开挖前的围岩先期位移和开挖瞬间的释放位移均有较大幅度的增长，同时，溶洞区的开挖对无溶洞区的围岩变形有放大作用。     

数字照相量测在大型洞群模型试验中的应用研究

地质力学模型试验和数值模拟方法是研究深埋、高地应力条件下大型地下洞室群围岩稳定性状况的重要方法。以双江口水电站地下洞群模型试验为研究对象,为解决洞周边墙关键点微小位移的量测问题,通过在洞周表面布置人工量测标志点和全程数字图像采集,应用PhotoInfor图像分析软件系统对洞室拱顶及边墙收敛位移进行了计算分析。获得了洞室加载与开挖过程中位移的变化过程与规律曲线。同时,利用FLAC3D软件模拟了洞群围岩的稳定性状况。研究结果表明:在大型洞群模型实验中,数字照相量测能够识别0.02 mm以下的微小位移;数值计算结果与照相量测结果规律基本吻合;数字照相量测弥补了三维模型试验中传统预埋量测仪器而破坏模型整体性的缺点,能够广泛应用在岩土工程试验之中。     

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。     

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。     

基于监测位移的围岩参数反演和变形预测

结合宁波某隧道工程实例,基于位移监测数据,对围岩的力学参数进行了正交反演试验,并采用ABAQUS软件进行了数值模拟正算,对比了未开挖围岩预测的位移与实际监测位移数据,指出采用反演值进行数值模拟具有较高的可靠性。     

圆形洞室围岩破坏模式模型试验研究

 为系统研究连续介质条件下隧道围岩的破坏模式和规律,采用模型试验,针对黏性材料和砂性材料2种典型地质材料进行研究。黏性材料由重晶石、石英砂和凡士林按一定配比组成,砂性材料考虑单一石英砂材料和石英砂与重晶石混合2种形式。利用压力盒、位移计、非接触监测系统等监测隧道开挖、加载过程中围岩应力和变形情况。对黏性材料而言,在逐级加载过程中表现出先洞室两侧剪切滑移,后拱顶塌落的二次破坏模式,通过位移和应力的监测可知,随着外部荷载的增大,洞室上方塑性区范围增加,而进入塑性状态后,围岩变形速率加快。对砂性材料而言,单一石英砂材料在开挖后围岩不具有自稳能力;而采用石英砂和重晶石混合后的材料,由于颗粒级配较好,材料具有一定的自锁能力,洞室开挖后可以保持稳定,随着逐级加载,洞室顶部首先出现二次抛物线型塌落拱,然后拱脚位置向洞室两侧移动,当其发展到水平中轴线处达到稳定,此时塌落拱滑裂面与普氏拱理论类似。模型试验揭示连续介质条件下隧道围岩的破坏模式,对隧道支护参数的确定具有重要意义。     

水下隧道流固耦合模型试验与数值分析

 我国水下隧道蓬勃发展,对其进行相似材料试验研究非常必要。通过改装由高强PVC板和型钢组成的试验架,开发光纤监测系统和渗流量计量器,并改进研发的新型固流耦合相似材料,在此基础上以青岛胶州湾海底隧道为工程背景开展流固耦合模型试验。试验过程中记录渗流量和关键点的位移、应力及渗透压力等多元信息。为了相互对比验证,采用软件FLAC3D进行与物理试验相似的数值模拟。代表性工况多元信息的空间分布情况符合一般规律,这说明试验采集的结果是可靠的。与数值模拟相比,物理试验能够考虑开挖扰动、水位波动以及海水浸泡、渗流造成的围岩弱化等因素的影响,其结果更接近于工程实际。     

山岭隧道开挖施工监测及仿真分析

通过山岭高速公里隧道施工监控量测及有限元数值分析方法,分析隧道施工过程中围岩应力变化情况。在山岭隧道施工过程中对围岩位移和应力进行监测,分析围岩的位移、应力状态随时间的变化规律,同时结合有限元软件ADINA对隧道开挖过程进行模拟,寻找围岩应力分布规律,分析围岩稳定性。为隧道施工过程中支护时间的选取提供了依据。     

非扰动开挖隧道模型的水压力试验研究

 隧道施工地下水问题困扰着隧道工程界多年,关于地下水压力对支护结构的影响认识不一致,为此需要从地下水作用机制研究出发,开展隧道衬砌水压力模型试验研究。模型隧道净空设计参考国内300～350 km/h高速铁路单线标准,模型试验的设计包括围岩模拟、试验流体、参数选择、试验工况、试验仪器选择等,试验工况包括：不同水头高度(1,2和4 m)和不同支护及排水条件(无支护全排和二衬不排水)等。通过在实际岩体中的小比例洞室模拟试验研究,对隧道开挖和支护引起的地下水渗流变化过程、地下水排放方式与水荷载之间的相关关系等取得较明确的定性认识,并以模型试验为基础开展数值模拟分析,为隧道水压力定量研究奠定试验基础。     

爆炸波作用下锚杆间距对围岩加固效果影响的模型试验研究

为比较锚杆间距对洞室围岩加固效果以及抗爆性能的影响程度大小,通过实验室地质力学模型试验,研究在集中装药爆炸应力波作用下,2种长度相同而间距不同的锚杆对洞室围岩的不同加固效果.比较和分析因锚杆间距不同所造成的洞室围岩中测点的应力、洞壁表面应变、洞室顶底板相对位移、顶底板及侧墙加速度和洞室围岩宏观破坏形态的差别.试验结果表明,与较大间距锚杆加固的洞室相比较,较小间距锚杆加固的洞室围岩中应力较大,洞壁表面应变、顶底板相对位移、顶底板加速度较小,加固区域内围岩无破坏裂纹,说明对洞室围岩的加固宜采用较小间距锚杆.将部分试验数据同相应的数值分析结果进行比较发现,两者的拱顶应力峰值和顶底板相对位移峰值较为一致,证明模型试验结果是可靠的,对防护工程设计及坑道围岩加固具有一定参考价值.     

Study on splitting failure in rock masses by simulation test,site monitoring and energy model

To study the phenomenon of splitting failure in the rock mass adjacent to an underground hydro-power station excavation in a region of high initial stresses, both laboratory simulation tests and site monitoring were undertaken. Concurrent with the excavation design and monitoring, an energy dissipation model was formulated. Back analysis was performed on the monitored site data obtained during excavation and construction. For study in the laboratory, large specimens were designed using rock-like materials. Using a true triaxial state test condition, one side of the specimen was unloaded to model the exposed cavern wall of the excavation. In the experimental model, rock splitting failure was observed. During the excavation (construction site), monitoring instruments were installed in boreholes in the cavern wall. Sliding micrometer, electrical resistivity tomography equipment and a borehole TV camera were employed to monitor the effects of the excavation. Back analysis using the deformation of the surrounding rock mass was carried out. The deformation and the depth of the splitting area in the surrounding rock mass after final excavation were predicted using the energy dissipation model and also by an alternate prediction formula for the splitting depth previously proposed by the authors. The correlation of measurements and predicted results was reasonably good.     

Displacement measurement techniques and numerical verification in 3D geomechanical model tests of an underground cavern group

In this paper, the stability of an underground cavern group is investigated on the basis of large-scale 3D geomechanical model tests and numerical simulations. Multiple measurement techniques are developed to measure the convergence of deformation in the cavern, displacements at key points in the side walls and the damage pattern during the excavation simulation process. The digital photogrammetric technique and fiber Bragg grating (FBG) based displacement sensing bars are applied to measure displacements in the surrounding rock masses. Mini multi-point extensometers with high-precision grating scales are developed as transducers for displacement monitoring. Afterward, a nodal-based Discontinuous Deformation Analysis (NDDA) method is applied to simulate the whole process of the physical model tests and to compare with experimental results. The variation process and law curves of the displacements in the surrounding rock and at key points in the side walls are obtained at excavation stages. The study shows that the application of the displacement measurement methods used in the surrounding rock masses for large-scale model tests of cavern group under true 3-D stress state have achieved satisfactory results.     

北盘江电站地下厂房群施工过程数值分析

以北盘江一级水电站地下厂房群为例,依据工程区区域地质条件与水文地质条件并结合实际开挖方式与开挖顺序,成功地在ADINA中实现了三维仿真数值模型的建立。采用应力试算法对模型边界处初始地应力进行拟合,在分析区域构造特征、现场实测数据和前期研究成果的基础上,通过对重力场模型的竖向边界上同时施加水平方向对称梯度应力,所取得的拟合效果最佳。洞室开挖完成后,洞周块体的水平位移均指向下游;围岩位移收敛速度较快,时效特征不显著。由于顶部局部软弱带的影响,致使该区洞室围岩变形稍大,但洞室整体稳定状况良好。最后,将位移现场监控数据与模拟结果进行了对比分析,结果说明所建模型可靠度高,可为洞室设计提供科学依据与技术指导。     

浅埋软岩隧道开挖围岩变形非线性模拟分析

由于隧道施工过程和开挖顺序的不同都会引起各自不同的应力和应变的非线性历程,最终导致不同的力学效应,特别是软弱围岩隧道,其力学效应表现的更加显著.结合沿海地区软弱围岩浅埋暗挖矩形隧道施工,使用有限差分软件（FLAC）对分部开挖进行非线性数值模拟,研究矩形隧道软弱围岩在开挖过程中大变形的机理.分析结果表明,围岩和初期支护的应力应变是非线性不可逆过程,其开挖方案应采用软弱围岩非线形大变形力学设计方法,以确保开挖施工安全.     

大型地下洞室断层破碎带变形特征及强柔性支护机制研究

锦屏一级水电站地下洞群规模巨大,布置复杂,且位于3条大断层及多组节理切割的高应力地质体内。多洞交叉大型洞群多步开挖强卸荷过程中,主洞室结构面或断层破碎带的支护方式、参数选取与优化以及支护时机的确定是影响整个设计洞群稳定的关键问题之一。结合地下厂房洞群的开挖支护过程,研究主洞室围岩断层带变形破坏力学机制,探讨围岩分层次支护的耦合作用机制以及力学与变形特征。基于对洞室围岩不同支护形式的数值模拟和原位监测,研究在挂网喷射混凝土支护系统中增加钢筋拱肋这一强柔性支护技术。结果表明,该种支护技术措施能有效地控制围岩变形,避免局部失稳导致洞群不稳定或垮塌现象的产生,对大型洞群开挖支护设计与施工具有重要参考价值和指导意义。     

地下洞室开挖数值模拟分析

以某地下洞室施工为例,通过关键点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,局部关键点最小安全系数不满足规范要求,需及时支护,且通过支护方案比选,确定了经济合理支护方案。     

大断面软岩硐室开挖非线性力学特性数值模拟研究

运用三维有限差分数值计算软件 (FLAC3D) ,模拟分析了软岩大断面硐室围岩由于开挖方法、开挖顺序的不同而产生不同时效变形与应力状态的力学响应及变形特性。研究结果表明 ,软岩大断面硐室的开挖过程是和应力路径与应力历史密切相关的非线性不可逆过程 ,其开挖设计方案应采用软岩非线性大变形力学设计方法 ,即首先采用力学对策设计 ,然后进行过程优化设计 ,最后进行最优参数设计 ,才能保证硐室围岩在开挖过程中处于最佳稳定状态     

OFDR光纤传感技术在十字岩柱暗挖法物理模型试验中的应用

 现阶段岩土工程模型试验围岩变形监测多采用点式传感器,仅能获得部分测点的应变,而光纤传感作为一种迅速发展的分布式监测技术,能很好地解决这一问题。对于岩土工程室内试验,现有光纤传感技术无法满足试验对空间分辨精度的高要求。对一种新型光纤传感技术光频域反射技术(OFDR)的测量原理和优点进行介绍,并将其应用于浅埋超大断面圆形隧道十字岩柱开挖模型试验中,对整个模型不同断面进行水平向应变连续监测。根据试验结果,结合有限元分析,表明OFDR能准确记录试验过程中模型内部的应变变化,揭示围岩在十字岩柱开挖方法下的变形规律,反映十字岩柱对围岩的支撑作用,为今后隧道工程开挖提供参考。另外通过算法将应变结果转化为位移结果,并与多点位移计的监测结果进行对比分析,偏差在10%以内。结果表明,该技术可应用于岩土工程试验中的变形监测。     

开采环境再造深孔诱导崩落模型试验研究

 以新疆喀拉通克铜镍矿为原型,运用地质力学模型试验,深入分析深孔诱导崩落开采过程中人工顶板和上、下盘围岩力学演化规律。试验在自行设计的BLES双向加载岩体开挖模拟试验台上,模拟开采环境再造深孔诱导崩落充填采矿法的8个开采步骤。试验结果表明：(1) 在开挖1#,2#凿岩硐室以及切割拉底时,上、下盘围岩应力和位移都呈缓慢增加的趋势,而人工顶板中部应力值逐渐减小,处于受拉状态。开挖V型堑沟、诱导崩落矿体时,上盘围岩和下盘围岩应力值随开挖步骤急剧增加。上、下盘围岩底部和人工顶板的左端应力值分别达到初始应力的2.2,2.14和2.53倍,应力集中现象明显。(2) 开挖完成后,人工顶板和上、下盘围岩最大沉降量分别为8.6,6.5和2.8 cm,满足矿山安全要求。上盘围岩的变形明显大于下盘围岩的变形,且有整体移动现象。(3) 构筑9 m厚的人工顶板,在整个试验过程中未出现破裂等破坏现象,实现采矿环境再造,同时确保试验采场的稳定性和安全性。     

岩石应变软化模型在深埋隧洞数值分析中的应用

 随着地下洞室的大量兴建,且埋深越来越深,深埋地下洞室的开挖稳定性问题显得非常重要。针对深埋隧洞围岩特殊的力学特性表现,采用应变软化模型进行数值分析更为合适。首先,对深埋隧洞围岩力学特性和岩石应变软化模型进行简单分析,并且通过数值加载试验分析了Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型计算得到岩石应力–应变关系之间的区别。然后,对简单圆形深埋隧洞进行数值分析,对比分析了Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型计算结果之间的差别,分析主要针对围岩的变形、塑性区和安全系数。最后,采用应变软化模型对两家人水电站深埋地下洞室群进行计算分析,对该地下洞室群的开挖稳定性进行评价。计算结果表明,调压室主室两侧边墙和各洞室连接处的变形较大,较其他地方更危险,需要加强对调压室主室边墙和各洞室连接处的支护强度。