激光扫描隧洞变形与岩体结构面测试技术及应用

提出了基于三维激光扫描技术的隧洞变形与岩体结构面非接触原位一体化测试技术,建立了基于三维激光扫描信息的岩体结构面定量表征方法。以中国锦屏地下实验室二期工程中的深埋隧洞群为例,应用了本研究的测试技术,介绍了相关测试结果,主要包括隧洞变形和结构面测试的三维激光扫描方法,优势结构面的统计与变形综合分析,并以#5实验室的典型岩爆案例分析了三维激光扫描获得的灾变机制,评价了隧洞锚喷支护设计方法,进一步讨论了三维激光扫描的隧洞变形与岩体结构面测试技术存在的缺陷和改进方法。为隧洞岩体变形、结构面分析和安全监测评价提供了重要支撑。     

地下厂房洞室群施工期围岩变形及破坏特征分析

简要介绍了锦屏一级水电站地下厂房洞室群的工程地质条件、施工期安全监测方法。对围岩变形监测成果进行了统计分析,对围岩变形规律及特点进行了研究。结合施工开挖及地质条件,对围岩变形过程、时效行进行了探讨。经过分析认为厂房地下洞室群围岩变形破坏机理复杂,与岩体强度、应力场分布、岩体工程地质特性、洞室群规模和形状、开挖方式、支护时机和强度等多种因素有关,其中地应力高的大理岩岩体强度相对较低是施工期围岩变形破坏的主要原因。提出了增加开挖层数、减少开挖层高、相邻洞室错层开挖、增加对穿锚索及降低锚索锁定初值等建议措施。     

岩石边坡潜在失稳区域微震识别方法

 为深入研究锦屏一级水电站左岸边坡深部岩体微震活动规律并评价边坡稳定性,在已有微震监测资料基础上,结合常规监测数据,并借助RFPA有限元数值模拟手段,分析左岸边坡深部岩体微破裂萌生、发育和扩展的演化机制,解释高程1 829 m处2#固结灌浆平洞多点位移计变化与微震事件时空分布规律之间的内在联系,再现典型剖面边坡渐进破坏全过程,重点阐述高程1 885 m坝顶平台裂缝形成机制。综合施工工况和工程地质情况分析,表明微震监测系统可以有效地识别和圈定边坡深部岩体微破裂区域和潜在滑裂面,边坡外观变形及微震活动性与该部位地质构造及灌浆活动有密切关系,灌浆导致的应力重分布和边坡内部天然裂隙带错动变形是诱发高程1 885 m坝顶平台裂缝的主要原因。研究结果为更好地理解和分析复杂应力条件下岩石边坡变形及其微震活动性诱发失稳机制提供重要的参考。     

深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述

随着经济建设与国防建设的不断发展,深部岩体工程越来越多,如逾千米乃至数千米的矿山(如金川镍矿和南非金矿等)、锦屏二级引水隧洞及辅助洞、核废料的深层地下存储、深部地下防护工程等.深部岩体工程在开挖洞室或巷道时,围岩变形和破坏等出现了一系列新的科学现象.除了岩爆和围岩挤压大变形以外,围岩的分区破裂化现象也吸引了很多岩石力学工作者的关注.基于国外对分区破裂化现象的实验和理论研究,归纳出分区破裂化现象的主要特征参数及其变化规律,揭示分区破裂化现象产生的条件;提出这一领域的研究方向;同时介绍国内在该领域实验和理论方面的研究进展.     

大型复杂岩质高边坡安全监测与分析

 岩石高边坡稳定性是水电站建设能否顺利进行的关键问题之一。锦屏一级水电站左岸开挖高边坡地应力高、断层裂隙发育、岩体卸荷深度大,地质条件十分复杂,边坡在施工期和运行期的稳定性问题特别突出。介绍左岸边坡的监测布置,并对岩体表面变形趋势、空间分布形态、变形与开挖的关系进行分析,对多点位移计变形大小、岩体变形与结构面的关系进行探讨,对平洞石墨杆收敛计变形、谷幅平距观测、锚索荷载和抗剪洞变形等监测结果进行综合分析,得到边坡岩体的变形规律。研究结果表明,锦屏一级水电站左岸边坡岩体受开挖影响的范围较大,超过80 m,边坡岩体卸荷松弛变形量级较大,边坡岩体应力释放与转移过程较长,边坡达到完全稳定需要的时间较长。该工程的监测成果可供其他类似工程参考和借鉴。     

长河坝水电站右坝肩边坡裂缝成因分析

 大渡河长河坝水电站右岸坝肩边坡属于高陡岩质边坡,在开挖过程中先后出现16条贯通性裂缝,对边坡稳定与后续施工安全均存在影响。结合工程地质条件、岩体结构特征与监测成果,确定坡体的主要变形区域和主滑方向,分析坡体变形与裂缝形成的主要成因,以及边坡的潜在失稳模式,提出进一步开挖与支护建议。开挖使J1组结构面临空,导致边坡下部岩体沿J1组结构面产生剪切滑移变形,上部岩体沿J4组结构面产生拉裂,坡顶板裂状岩体倾倒变形;F0断层及其下盘岩体压缩变形,上盘岩体下沉加剧这种变形破裂。边坡变形破坏模式为前缘滑移–中部拉裂–后缘倾倒型破坏。采取强化加固措施后,裂缝变形得到控制,边坡基本达到稳定要求。     

深部岩体变形破坏动态本构模型

 根据深部岩体在卸荷条件下能量释放、消耗和转移的过程中,其体积变形经历弹性回弹和扩容以及剪切变形可能经历峰值前(弹性和内摩擦强化阶段)和峰值后(软化及残余破坏阶段)阶段的性状,提出深部岩体变形破坏全过程动态本构模型。该模型的特点可归纳为：(1) 引入Juamann导数,能够计算有限变形;(2) 描述卸荷过程中与时间相关的体变回弹、扩容至破裂的全过程关系;(3) 描述了卸荷过程中,深部岩体强度(长期强度、破坏强度和残余强度)被调动的演化过程,并用同轴的屈服面、破坏面与残余破坏面3个圆锥面加以描述;(4) 运用物理细观力学理论,引入宏观裂纹扩展滞后时间表征岩体不同构造水平在强化中的贡献,给出内摩擦强化阶段流变方程;(5) 运用裂纹运动散布理论,引入破裂时间表征宏观裂纹扩展贯通过程,给出破裂过程中的强度随时间的演化方程,用塑性流动理论给出软化阶段形变本构方程。最后,在LS-DYNA平台下对本构模型进行二次开发,通过深埋地下隧洞开挖变形破坏的算例,初步展示该模型在深部岩体力学理论与工程中的应用前景。     

深部多裂隙岩体开挖变形破坏规律模型试验研究

深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有一定倾角的多组裂隙的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明:隧道上下侧围岩主要呈现大变形现象,左右侧围岩呈现分层破裂现象,破裂区随时间增长由内向外逐渐增多,在拱顶、底板大变形的诱导下发生边墙大体积坍塌;隧道围岩由内向外位移值和应力值呈现波动状分布;裂隙倾角与破坏区分布形态有一定相关性。为保障深部工程的安全兴建与运营提供了试验基础。     

复杂岩质高边坡工程安全监测三维可视化分析

应用自主研发的岩石边坡工程安全监测三维可视化分析系统(SlopeMoni3D),以锦屏一级水电站左岸高边坡工程为例,建立安全监测分布式分析平台,对边坡安全监测系统与赋存地质条件进行虚拟现实可视化分析。以三维云图的可视化形式对安全监测获得的左岸边坡开挖区域浅表、深部变形发展趋势及锚索测力计锚固力在相同时段变化量的空间分布进行综合分析,完成边坡整体稳定性和变形趋势的分析评估。分析结果表明:(1)以虚拟现实可视化方式解析复杂岩质边坡工程区域地质条件,可直观表达各监测项目测点布置与地质结构的相互关系,便于监测成果与地质条件和施工信息的综合分析;(2)借助三维可视化分析平台所提供的监测数据管理和监测数据场三维云图绘制等功能,可直观比较相同监测时间段不同监测项目所获得监测物理量的三维云图分布,便于从地质、施工等方面综合分析边坡各区域的变形趋势和稳定状态。     

双江口水电站地下厂房顶拱开挖围岩损伤分析及变形预警研究

以双江口水电站左岸地下厂房为研究对象,构建三维空间"体"微震监测系统,对顶拱开挖过程围岩微震信号进行实时拾取,依据微震活动特征圈定围岩损伤区域,结合常规监测结果与现场探勘情况分析微震活动时空演化与施工动态响应关系;引入分形–岩石力学理论,揭示围岩渐进损伤直至宏观变形全过程分形维值演化规律。研究结果表明:微震活动与施工工况、地质条件密切相关,安装间段厂横0-57m～0-43m下游侧拱肩微震事件聚集由爆破开挖强度及长大岩体裂隙控制;围岩损伤表现出非剪切破裂特征,破裂尺度增大时微震信号呈现低频特征;分形维值出现陡降是岩体发生宏观变形的前兆信号。研究结果可为类似地下厂房开挖围岩损伤分析及变形预警提供参考。     

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。     

折射成像与地质分析在倾倒变形体探测中的应用

倾倒变形体作为一种不良地质体存在,由于其所引发的地质灾害问题时有发生,其影响在工程建设中越来越明显。在雅砻江上游某水电站坝轴线右岸上游,由于担心后期蓄水后倾倒变形岩体发生次生地质灾害危及大坝及库周人员、设施的安全,需要查清该倾倒变形体的规模以便采取处理方法,通过地震折射层析技术探测工作对倾倒变形岩体的埋藏深度做了具体的探测工作,同时结合该区域地质资料分析倾倒变形岩体的形成机制,对地震折射层析成像资料进行了综合分析,查明了测区边坡变形岩体的埋藏深度及分布情况,为工程设计提供了依据。     

基于Hoek-Brown准则的开挖扰动引起围岩变形特性研究

 Hoek-Brown经验准则(2002版)考虑施工扰动对岩体参数劣化效应,并提出扰动系数D,但仅为粗略定性化描述。现应用声波测试法获得的岩体波速降l对扰动系数D进行优化处理,并将优化后的Hoek-Brown经验准则运用于开挖扰动引起岩体弹塑性变形特征方程的求解研究,进而可实现较精确表示围岩塑性圈半径。为验证该理论的合理性,综合运用声波测试法、位移监测法等监测手段及有限元数值模拟法予以对比分析。此外,考虑开挖扰动变形特征场地效应,提出可拟合不同岩性、不同开挖方式的变形与开挖扰动经验公式。工程实例计算结果表明：对Hoek-Brown经验准则(2002版)扰动系数D的优化合理,用其可计算开挖扰动引起的围岩弹塑性变形特征值。并可准确求得塑性圈半径值,同时,拟合得到变形与开挖扰动经验公式可满足不同工程需要,具有一定合理性。所获结果可为Hoek-Brown经验准则(2002版)及地下洞室开挖扰动引起岩体变形特性研究提供一定方法参考。     

Assessment of strain bursting in deep tunnelling by using the finite-discrete element method

Rockbursting in deep tunnelling is a complex phenomenon posing significant challenges both at the design and construction stages of an underground excavation within hard rock masses and under high in situ stresses. While local experience, field monitoring, and informed data-rich analysis are some of the tools commonly used to manage the hazards and the associated risks, advanced numerical techniques based on discontinuum modelling have also shown potential in assisting in the assessment of rockbursting. In this study, the hybrid finite-discrete element method (FDEM) is employed to investigate the failure and fracturing processes, and the mechanisms of energy storage and rapid release resulting in bursting, as well as to assess its utility as part of the design process of underground excavations. Following the calibration of the numerical model to simulate a deep excavation in a hard, massive rock mass, discrete fracture network (DFN) geometries are integrated into the model in order to examine the impact of rock structure on rockbursting under high in situ stresses. The obtained analysis results not only highlight the importance of explicitly simulating pre-existing joints within the model, as they affect the mobilised failure mechanisms and the intensity of strain bursting phenomena, but also show how the employed joint network geometry, the field stress conditions, and their interaction influence the extent and depth of the excavation induced damage. Furthermore, a rigorous analysis of the mass and velocity of the ejected rock blocks and comparison of the obtained data with well-established semi-empirical approaches demonstrate the potential of the method to provide realistic estimates of the kinetic energy released during bursting for determining the energy support demand.     

裂隙岩体的水力劈裂分析

随着水电工程建设、地下核废料储存、地热开发、矿井采掘等岩体工程越来越多的处于高水头、大埋深等恶劣水文地质条件下,水力劈裂作用正在受到越来越多岩体工程稳定性研究者的关注。本文主要研究裂隙岩体的材料和力学特性以及裂隙岩体的数值模型与数值分析,并通过工程实例提出了作者的见解;最后展望了水力劈裂的前景和提出几个重要的待解决问题。     

强震区软岩隧道大变形破坏特征及其成因机制分析

 对在建的穿越5•12强震区发震断裂带上广甘高速公路杜家山软岩隧道中多次出现的大变形及塌方等地质灾害特征、影响因素及其成因机制的分析表明：强震区软岩隧道变形破坏多以坍塌为主,且多数发生于掌子面附近;围岩自稳能力差及地下水对岩体的软化作用是隧道发生变形破坏的主要诱因,但5•12强震及后期余震作用形成的大量深部震裂损伤岩体也是产生上述现象的重要因素之一,复杂的区域环境造成设计、施工中类似经验不足也是引发上述现象不可忽视的重要环节。研究表明,对于强震区软岩隧道应结合现场实际情况适当调整围岩的预留变形量及安全控制基准,加强原有的支护参数,施工中重视各环节的工艺衔接,采用以三台阶+预留核心土的微台阶法可有效控制上述灾害的产生。     

官庄铁矿深埋破碎矿体开采岩体变形测试分析

 以大量实测资料为基础,分析官庄铁矿北区深埋破碎厚矿体开采引起的围岩变形和地表移动规律。实测结果表明,官庄铁矿北区地表下沉属于连续下沉,岩层破坏主要是缓慢型破坏。分析过程中,把几种实测分析方法和数值分析法有机结合在一起,形成岩体移动变形综合研究方法,对地下开采引起的岩体移动机制进行具体分析。分析中所采用的实测分析类方法包括蠕变试验分析、地表移动观测分析、围岩变形监测分析、原岩应力量测分析;数值分析类方法包括ANSYS和FLAC。结合官庄铁矿工程实例,通过具体测试分析,探讨深部开采岩体移动变形规律及特点,即深部开采覆岩移动变形具有均匀、整体压缩变形等特点,地表移动连续且周期较长。实践证明,所采用的综合研究方法是分析岩体移动和地表下沉机制的有效途径。     

深部软岩隧道施工性态时空效应分析

随着我国交通事业的迅速发展,在深部岩体中修筑隧道工程已必不可少,随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出。主要对深部软岩隧道工程中施工力学性态和变形时空效应进行三维非线性黏弹性数值模拟,并将计算结果与现场实测数据进行比较验证。研究结果表明,计入围岩流变效应,考虑深部软岩隧道时空效应影响,在作业面影响范围内,开挖面空间效应占主导因素,围岩应力随距作业面距离的加大而逐步释放;在此范围外,软弱岩体流变属性得以充分发挥。通过分析和施工实践证明,对于深埋软岩隧道应尽早施作衬护,以改善承载环范围内围岩受力,减少扰动,提高围岩自承能力;由于软岩流变效应显著,必须适时设置二次衬砌以承受来自围岩的后期流变压力,限制围岩大变形。研究成果丰富了地下工程施工力学理论,可应用于工程实践。     

从施工地质灾害看岩体结构动态控制作用

 在我国岩石工程规模加大、趋深而施工扰动范围趋广和趋强的今天,难以避让的不良地质体中常出现的施工地质灾害已成为影响工期和造价的极重要因素。工程实践观测到以不良地质体为主的岩体结构动态变化及其对快速、高强度工程开挖扰动的响应很复杂。理论上需认识不同层次和不同部位岩体变形破坏反映出的结构动态变化和调整,对其控制作用和工程调控需从相互作用时间变化角度加以表述,同时为“短进尺”等地下工程施工经验提供依据。通过总结、回顾岩体结构控制论发展和适用性,结合岩石工程中不良地质体有关的施工地质灾害防治实践,提出基于变形破坏时效性的岩体结构动态控制观(DDC)。以平行于背斜轴部展布的上公山隧洞围岩施工地质灾害导致工期延误和方案多次变更为例,说明岩体结构动态变化是工程施工扰动作用的集中体现和客观结果。本文结果或可为深入研究岩体变形破坏时效性提供一定地质基础。     

Preliminary engineering application of microseismic monitoring technique to rockburst prediction in tunneling of Jinping Ⅱ project

Monitoring and prediction of rockburst remain to be worldwide challenges in geotechnical engineering.In hydropower,transportation and other engineering fields in China,more deep,long and large tunnels have been under construction in recent years and underground caverns are more evidently featured by ＂long,large,deep and in group＂,which bring in many problems associated with rock mechanics problems at great depth,especially rockburst.Rockbursts lead to damages to not only underground structures and equipments but also personnel safety.It has been a major technical bottleneck in future deep underground engineering in China.In this paper,compared with earthquake prediction,the feasibility in principle of monitoring and prediction of rockbursts is discussed,considering the source zones,development cycle and scale.The authors think the feasibility of rockburst prediction can be understood in three aspects：（1） the heterogeneity of rock is the main reason for the existence of rockburst precursors;（2） deformation localization is the intrinsic cause of rockburst;and（3） the interaction between target rock mass and its surrounding rock mass is the external cause of rockburst.As an engineering practice,the application of microseismic monitoring techniques during tunnel construction of Jinping II Hydropower Station was reported.It is found that precursory microcracking exists prior to most rockbursts,which could be captured by the microseismic monitoring system.The stress concentration is evident near structural discontinuities（such as faults or joints）,which shall be the focus of rockburst monitoring.It is concluded that,by integrating the microseismic monitoring and the rock failure process simulation,the feasibility of rockburst prediction is expected to be enhanced.