岩体质量对地下工程开挖效应的影响研究

以西北某大型水电站地下厂房洞室群为例．在地质调查的基础上,对洞室群围岩岩体质量进行了分析评价。而后,运用数值模拟手段研究了岩体质量不同时．洞室群开挖效应——二次应力场、位移场和破坏区的差异．较全面地讨论了岩体质量对洞室群开挖效应的影响。     

收敛约束法中隧道开挖面空间效应方法比较

合理的开挖面空间效应方法是充分调动与发挥围岩自承载能力的前提,对2种代表性的开挖面空间效应方法：T-N(09)支护力系数法和V-D(09)位移释放系数法,进行了来源、因素考虑、适用范围、空间效应实现及收敛约束差异等的定性与定量比较。研究结果表明：2种开挖面空间效应方法都易与围岩特征曲线相结合,便于实际工程应用,且在一定参数范围内二者具有很好的一致性;T-N(09)支护力系数法仅适用于理想弹-塑性围岩,得到的支护压力偏小、围岩稳定变形偏大,应对其材料模型及参数范围进行有效拓展;V-D(09)位移释放系数法适用于各种弹塑性围岩,能较直观地反映开挖面空间效应的变化及影响范围,具有广泛的工程应用前景。     

考虑空间效应的地下洞室爆破开挖松动区参数场位移反分析

将地下洞室爆破开挖松动区视为一个随开挖过程演变的非均匀、非稳定三维扰动场,松动区内岩体力学参数则是一个具有时空演化特性的参数场。考虑爆破开挖扰动空间效应和岩体真实变形响应,提出了真实工作状态下开挖松动区岩体参数场辨识的位移反分析方法。基于局部监测变形空间插补得到的空间位移场,通过分析洞室爆破开挖围岩变形扰动机制,建立了开挖松动区岩体变形模量参数场数值演化模型,并进行了模型适用性和参数敏感性分析。在此基础上,以变形模量参数为例,结合围岩实测位移信息,提出了开挖松动区参数场位移反分析的动态实现过程。将该方法应用于溪洛渡地下洞室群施工期参数场反演和围岩稳定动态反馈评价及预测,结果表明,该方法合理有效,在大型地下洞群施工开挖与快速监测反馈方面具有显著的工程适用性及实用性。     

超长基坑开挖的空间效应

为了研究超长基坑开挖的空间效应,对盘锦某地下商业街基坑工程开挖过程进行了数值模拟,主要对基坑工程中分段、分块开挖等问题进行了计算分析。结果表明:随着基坑开挖分段长度的增加,支护桩水平位移的最大值呈先减小后增大的趋势,基底隆起量最大值呈增大的趋势;随着基坑开挖分块长度的增加,受保护侧支护桩的水平位移呈先减小后增大的趋势。超长基坑开挖时考虑空间效应可有效地减小支护结构、周围地层的变形;在基坑分段、分块开挖过程中,要考虑未开挖土体是否具有足够的强度限制支护结构及地层的变形,使得空间效应得以发挥。     

考虑砂土抗剪强度空间变异性的盾构开挖面稳定性分析

采用传统研究方法对盾构开挖面稳定性的分析多基于土体是均质、各向同性材料的假设,显然与其本身的非均质性相违背。为此,开展了考虑土体抗剪强度参数的空间变异性对盾构开挖面稳定性的影响研究。在随机场理论的基础上,采用协方差矩阵分解法建立了描述砂土内摩擦角空间变异性的三维随机场模型,借助于数值分析软件平台研究了内摩擦角的变异系数、自相关距离对开挖面失稳模式、极限支护应力的影响规律,并采用概率分析法探讨了极限支护应力特征值的选取。结果表明：砂土内摩擦角的空间变异性对开挖面稳定性有重要的影响;随内摩擦角的变异系数的增大,极限支护应力的概率分布离散性越大;开挖面失稳模式与自相关距离的大小密切相关,当自相关距离与隧道直径比较接近时,开挖面可能出现局部失稳;提出了开挖面极限支护应力特征值的概念,并结合失稳概率给出了其初步确定方法。     

盾构隧道开挖面稳定的可靠度研究

目前,盾构隧道开挖面稳定性评价方法均是确定性方法。为了考虑土体参数的变异性,提出用可靠方法来评价其稳定程度。采用数值模拟方法,研究了隧道开挖面极限支护压力。基于BP神经网络预测大量给定地层参数工况下的开挖面极限支护压力,对其进行统计,得其概率分布特征。在理论分析的基础上,结合工程实际,探讨了盾构施工土压力的确定原理。建立了隧道开挖面稳定的极限状态方程,对其进行了可靠度分析。该研究除能够科学、合理地评价开挖面的稳定程度外,对于盾构施工过程中合理地设定开挖面支护压力也具有一定的参考作用。     

持续开挖效应下结构面剪切力学性质与能量特征研究

基于地下岩体工程开挖扰动的实际情况,开展考虑持续开挖效应,充分反映岩体结构面应力调整过程的结构面剪切试验更具理论意义和工程应用价值。采用人工劈裂方法制备岩体结构面,开展了常规应力路径和持续开挖效应下的结构面剪切试验,系统研究了两种条件下结构面剪切力学性质、声发射特征和能量的演化规律。研究结果表明：开挖扰动荷载强度越大,结构面发生剪切破坏时的剪应力降整体上越大,但持续开挖效应下的剪应力降最大值仅为常规应力路径下剪应力降的48.57%;考虑持续开挖效应的结构面剪切过程中声发射活动主要集中于结构面受剪破坏和剪应力降产生时,且声发射活动强度与开挖扰动强度正相关,声发射振铃计数变化率极值明显小于常规应力路径下的相应值;持续开挖效应下试样裂纹发育密集度、结构面磨损区域及破坏程度均随开挖扰动强度增加而增加,但试样裂纹发育的密集程度和结构面破坏程度相对常规应力路径下的情况轻;考虑持续开挖效应的结构面发生剪切破坏时弹性应变能随扰动荷载增大而增大,均低于常规应力路径条件下的弹性应变能值,持续开挖效应降低了结构面剪切破坏的强度,但更易引发结构面发生剪切破坏。     

深基坑开挖过程及空间效应影响的数值模拟

结合工程实例,利用FLAC3D有限差分法分析软件对某双排桩深基坑的开挖和支护过程进行模拟,分析了开挖过程中土体位移场的变化规律。研究表明,支护结构和土体的空间受力性状、土与支护结构之间的相互作用以及施工开挖过程等均会对支护结构的受力状态和变形特性产生显著影响。此外,还讨论了双排桩之间土体刚度的变化对位移和沉降的影响,表明适当地增加两排桩之间土体的刚度能有效地减小基坑外侧土体的位移。     

隧道及地下工程围岩稳定性及可靠性分析的极限位移判别

隧道和地下空间工程的稳定性和可靠性评价的问题一直是岩土工程界关注的难点问题。针对隧道围岩-支护系统的稳定性、可靠性、安全性的问题,采用以隧道及地下工程围岩变形位移为判据的隧道及地下工程围岩稳定性分析方法,分析了隧道及地下工程围岩位移的极限状态,提出了隧道及地下工程围岩极限位移的确定方法和大变形隧道及地下工程围岩极限位移的分析方法。结合工程实例,建立了以DGM（2,1）模型和Verhulst模型为理论的隧道及地下工程围岩稳定性分析的位移预测预报方法;在此基础上,提出了隧道及地下工程围岩稳定性及可靠性位移判别准则。其研究和分析结果将有助于构建隧道及地下工程围岩稳定性分析的位移预测预报系统。     

考虑动态泥膜效应的盾构开挖面稳定理论研究

泥水盾构工法被广泛应用于高压富水复杂地质环境中修筑隧道,其中开挖面稳定控制是工程成败的关键,在盾构掘进时,由于刀盘不断旋转切削地层,开挖面上的泥膜处于“形成―破坏―再形成”的动态循环过程,泥膜透水性增强,这种动态泥膜作用下开挖面的稳定如何评价有待于进一步探索。对此,对泥水盾构掘进过程中的动态泥膜进行了分类,提出了考虑盾构运动和泥浆渗滤特征的动态泥膜理论。在此基础上,采用空间离散法将泥水压力引入旋转体模型,建立了考虑动态泥膜效应的开挖面稳定力学模型,提出了泥水盾构动态掘进过程中开挖面临界泥浆压力及泥浆支护效率评估方法,研究指出：当盾构在强渗透性地层中掘进时,在尽量提高泥浆成膜率的同时,应注重泥浆黏度调节,充分发挥渗透力支护作用,同时可适当提高盾构掘进速度并降低刀盘转速,有利于开挖面稳定控制。以泥浆成膜率、等效渗透系数为依据给出了泥浆支护效率设计图,研究工作对盾构掘进支护压力控制和泥浆配置有一定的借鉴意义。     

水电站地下洞室群分步开挖的非连续变形分析

利用大岗山水电站的地质勘探资料建立不同贯穿节理组合下地下洞室群的DDA模型,分析了洞室群开挖的破坏模式,并简单阐述其破坏机制。基于Monte-Carlo方法模拟节理的随机分布,结合大岗山水电站的开挖设计方案,对地下洞室群在分步开挖过程中的位移及应力演化进行研究。研究表明：洞室群开挖完成后,洞周块体的位移均指向洞内,尾调室上下游与主厂房上游的变形较大;洞周块体的大主应力均平行于洞室边界线,尾调室的应力释放比较明显,其边墙块体发生了滑移;洞室群在开挖过程中互相影响,其中主变室受主厂房和尾调室的影响比较明显。研究结果指出了洞室群开挖过程中需要关注和加固的具体部位,为工程支护措施的优化提供了依据。     

某浅埋地下洞室围岩稳定及渐进破坏过程分析

以新疆乌鲁木齐市"世纪花苑"三期工程废弃人防地道为实例,在查明研究区浅埋洞室分布特征的基础上,结合现场及室内试验获取相关岩土体物理力学参数,利用快速拉格朗日差分分析程序FLAC研究浅埋洞室在拟建高层荷载作用下的稳定性及其破坏过程,通过系列模拟图,较真实地再现了洞室围岩变形破坏、尤其是塑性区发展变化过程.     

高地应力条件下大型地下厂房松动区变化规律及参数反演

松动区是控制地下洞室围岩变形及失稳的重要因素。以锦屏一级水电站为例,结合声波测试及多点位移计监测成果,对高地应力和低强度应力比条件下大型地下厂房围岩松动区的分布及变化特征进行分析,并采用BP网络和遗传算法对围岩参数进行反演。研究表明,声波测试的围岩松弛深度与多点位移计监测得到的围岩主要变形深度具有一致性,围岩松弛深度变化趋势与岩壁位移变化也存在对应关系,两者结合可以对围岩松动区的变化规律进行连续的分析。高地应力和低强度应力比条件下的松动区深度远大于一般应力条件,由于围岩应力状态调整、岩体破坏所导致的卸荷松弛成为围岩松弛的主要因素。开挖过程中,由于围岩应力状态的逐步调整,导致围岩的破坏和松弛的渐进发展,其中松弛深度在水平向的扩展较为明显。反演得到的松动区岩体变形模量及黏聚力较未松动岩体有明显降低,而摩擦角降低较少。因此,对松动区岩体进行灌浆加固,将有助于提高松动区岩体的变形模量和粘聚力,从而增强围岩的稳定性。     

系统分析方法及其在地下洞室群中的应用

以龙滩实际工程地下厂房的结构型式为背景,选取对地下洞室围岩稳定性影响较为重要的5个因素,即：岩体变形模量、洞室埋深、主厂房高度、地应力侧压系数以及洞室间距,进行大量的弹塑性数值模拟分析。试图通过回归分析的数学方法,分析围岩关键点位移的变化规律,建立预测模型。并应用预测方法,对在建的和已经完工的实际工程洞室边墙关键点位移进行预测和对比分析,得到较好的一致性效果。     

地下隧洞开挖和支护的三维数值分析计算

根据地下工程锚固支护原理,采用隐含锚杆柱单元的三维有限元和混凝土喷锚支护的三维数值计算方法,对复杂的地下泄洪隧洞的开挖和支护进行了分析计算。该方法不仅能够有效地反映锚杆的长度、密度、倾角对洞室开挖的影响,而且能够较好地模拟钢拱架和锚杆的时间施加效应。由于隐含锚杆柱单元和喷层单元是隐含在岩体单元中的,所以锚杆和喷层单元不受岩体单元划分的影响,能够有效地模拟各种支护方案,加快计算速度,合理反映锚固支护所作用的位置和时间影响。通过对构皮滩泄洪洞施工开挖和锚固支护的模拟计算,论证了施工开挖的稳定性和锚杆、喷层、钢拱架的支护作用,提出了洞室结构的加固措施,为工程施工开挖提供了有效的设计依据。     

断裂结构面对回采工作面矿压及顶板稳定性的影响

通过对现场观测和数值模拟分析,系统研究了断裂结构面对回采工作面矿压分布和顶板稳定性的影响。研究结果表明,回采工作面顶板断裂结构面有3种典型组合类型,即“正三角形”结构、“川字形”结构和“倒三角形”结构。在工作面开采过程中,“正三角形”结构顶板稳定性差;“倒三角形”结构顶板稳定性好;而“川字形”结构顶板能形成结构平衡且稳定。由于断层使介质不连续,导致初始应力场挠动,局部产生附加应力,在断层带附近形成低压力区和高应力集中区带,比较明显的影响范围距断层面大约10~30 m。当工作面推进到高应力集中区带时,工作面前方煤(岩)体中支承压力明显增大,支承压力峰值位置向前方煤岩体中转移,易于发生冒顶事故和其他矿井动力地质现象;当工作面推进到低应力区带时,压力峰值降低,顶板稳定性差。     

低地应力区地下洞室围岩压力计算方法及应用

以西北某市水利工程地下洞室泄洪洞等为例,对低地应力区地下洞室围岩压力计算方法与应用进行了研究.研究认为,低地应力区地下洞室围岩压力可分为拱顶横向拉张塌落型、侧壁切向挤压滑落型和洞周自重掉落石块型三种破坏类型产生的围岩压力,并讨论了低地应力区地下洞室围岩压力的计算公式.以研究区引水洞为例,分别计算了拱顶围岩整体滑落和侧壁围岩整体滑落型围岩压力.该项研究成果,它将有利于进一步研究低地应力区洞室围岩稳定性与相应稳定性措施的实施,有助于工程的顺利进行.     

粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟

通过开展离心模型试验,对干粉砂及饱和粉砂中盾构隧道开挖面的失稳破坏特性和极限支护压力进行了研究。通过远程控制开挖面土体位移,获得了支护压力与开挖面位移间的关系曲线及开挖面达到主动极限平衡状态时的破坏模式。2组干砂离心模型试验结果表明,当隧道埋深与隧道直径比从0.5增大到1时,开挖面破坏模式从整体坍塌破坏转变为烟囱状,但极限支护压力变化较小。饱和砂土中的试验表明,开挖面水平方向破坏范围相比在相同埋深干砂中的范围扩大,极限支护压力显著增加。对开挖面破坏过程进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面极限支护压力和破坏机制,所得结果与试验吻合较好。进一步通过数值模拟,分析了土体强度参数、隧道埋深及渗流对极限支护压力的影响规律。结果表明,渗流条件下开挖面破坏区域及极限支护压力均大于无渗流情况,极限支护压力随内摩擦角增大而减小,随隧道埋深增大而减小。