地下硐室围岩应力状态及相关参数测量结果的分析与评价

在深埋及压力硐室工程中,采用水压致裂法测定围岩三维应力状态,宜首先判定围岩应力的分布状况。在具有应力松弛圈、应力集中区与不受开挖影响的正常应力分布域情况下,只有分别进行计算分析,才能更为真实地揭示出硐壁围岩的三维应力分布特征。对于确定压力硐室围岩自身承载能力的水力劈裂测试成果,只有结合裂隙性状、岩层结构状况等进行全面分析,才能准确评价围岩的抗载强度。由于在高压力作用下,岩体中存在的软弱结构面有可能被张裂或扩展,从而改变岩层的透水性,因此只有按照工程运行状态下围岩实际承受的压力进行高压压水测试,才能得到岩层透水性的可靠资料。     

压力洞室围岩的高压透水率测试技术与应用研究

随着压力洞室、深埋地下工程的建设,迫切需要弄清工程所在深度上的岩体在高压作用下的透水性状。由于岩体中的节理、裂隙等各种软弱结构面在高压作用下将会张裂、扩展,只有按照等于或略大于洞壁围岩实际承受的压力进行高压透水测试,才能得到工程运行状态下岩体透水率的可靠资料。介绍了钻孔高压压水测试技术,并结合其在工程中的具体应用做了初步分析。     

加锚断续节理岩体断裂损伤模型在硐室开挖与支护中的应用

应用断裂力学与损伤力学理论，对复杂应力状态下脆性断续节理岩体的本构模型及其断裂损伤机制进行研究。根据应变能等效的方法和自洽理论，建立加锚断续节理岩体在压剪、拉剪应力状态下的断裂损伤本构模型；且建立裂纹在压剪和拉剪状态下的损伤演化方程。基于以上的本构模型和损伤演化方程，编制三维有限元程序，并将其应用于琅琊山抽水蓄能电站地下厂房硐室开挖与支护工程的稳定性分析中，研究地下厂房硐室在开挖支护过程中的稳定性。重点分析硐室围岩在开挖过程中的应力状态、变形特性及损伤演化过程。将计算所得出的硐室开挖边界附近的位移值与原型观测值进行比较，得出一些对工程有指导意义的结论。     

基于应变非线性软化的圆形硐室围岩弹塑性分析

依据塑性力学全量理论,将岩体单轴压缩的非线性软化本构关系推广,得到复杂应力状态下圆形硐室围岩塑性区的等效应力与等效应变关系;籍以求得应变非线性软化的圆形硐室围岩塑性区半径、弹塑性区应力、应变和位移;进而求得相应情况下的硐室围岩平衡方程、地应力与硐室周边位移关系以及围岩压力方程。首次给出围岩弹性区承载力、塑性区承载力的表达式。     

压力拱应力分布的数值分析

从摩尔-库伦破坏准则出发,分析压力拱成拱条件,探讨水平应力、隧道埋深及围岩岩性等因素对压力拱形状的影响,并用软件模拟分析了压力拱与其埋深、水平应力及围岩岩性之间的关系,理论分析和数值模拟结果显示水平应力,隧道埋深是影响压力拱产生的主要因素,而且水平应力对围岩中压力拱的位置和形状有很大影响;围岩强度越高,拱体越靠近硐室,形状越陡峭;围岩强度较低者,拱体则远离硐室,形状越平缓;围岩岩性是影响压力拱形状的主要因素。通过研究可以搞清楚作用在支护结构上的荷载大小及荷载分布情况,得出更加合理的支护结构,从而更好的指导工程实践。     

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     

硐室开挖过程中考虑应变软化性质的合理性分析

地下硐室施工过程中,岩体应变软化性质会对其开挖及支护产生一系列影响。为保证施工过程中硐室围岩的安全和稳定,本文给出了考虑岩体应变软化性质的围岩各区应力、位移分布规律及围岩压力与硐周位移关系的弹塑性理论解。通过简单算例将此理论解答与围岩的实际工程特性及传统芬纳解进行分析对比,验证了考虑岩石应变软化性质的合理性。     

应变软化圆形硐室开挖问题的弹塑性分析

岩石的应变软化性质给地下硐室的施工及维护带来了一系列问题。为保证应变软化岩石中硐室围岩的安全和稳定,本文首先基于Mises屈服准则及岩体单轴压缩本构关系,得到了简化的岩体应变软化本构模型;再结合岩体流动法则,运用弹塑性理论,对圆形硐室在等压荷载条件下围岩各区应力与位移分布规律及围岩压力与硐周位移关系进行了研究,得到了围岩各区应力场、位移场及围岩压力与硐周位移关系的理论解答。     

导硐法施工中导硐位置及尺寸的优化研究

随着硐室埋深加大、围岩破碎、裂隙发育等因素的出现,岩石呈现明显的软岩特性,并由此产生了大变形、大地压、难支护等一系列工程问题。近几年逐渐采用导硐施工技术来解决这些问题,根据导硐施工法的原则:让硐室掘出后在原岩应力作用下充分产生流动变形、塑性变形,释放部分地应力,并利用围岩自身的承载能力,使地应力重新分布达到新的应力平衡状态,使地压力得到有效释放与控制。在导硐法施工中,如何优化导硐位置及尺寸是导硐施工技术的关键问题;建立不同导硐模型,通过Flac3D进行数值模拟,分析、比较导硐后硐室的塑性变形、位移和应力情况,得到一个最佳的导硐模型。     

深埋岩石硐室在爆炸应力波荷载作用下的破坏效应

深埋岩石硐室在爆炸应力波荷载作用下的破坏效应对于国防和民防工程及其他抗爆抗震工程的防护设计和效应分析具有重要意义.国内外通过核试验、大型化爆试验、小型模拟实验、材料特性研究、理论解析、数值模拟等方法取得了一些研究成果,但有许多问题解决得不够系统和完备.基于工程观测资料,采用现场试验数据综合分析、小比例化爆模拟实验和岩石脆性破坏模型的三维动力有限元数值模拟的方法,研究了深埋岩石硐室在爆炸应力波荷载作用下随着各种条件的变化而发生的破坏效应.根据爆炸硐室工程破坏现象和相关力学条件,总结了硐室宏观破坏的一般图象、变化特征和影响因素等规律,编制出新的硐室破坏分区表,可供类似条件下的工程概略设计与分析使用.水泥砂浆材料小比例化爆模拟实验表现了完整多孔硬岩中硐室应力波破坏的特征,是对核试验成果的有益补充.水泥砂浆中硐室破坏方式表现为压垮、围岩强烈塑性变形和产生裂隙,硐室稳定性比裂隙硬岩中要好,存在口部加剧效应和多硐相互作用.扫描电镜试验表明,硐室微观损伤破坏变化规律与宏观破坏现象是一致的,可以用水泥砂浆中的砂粒是否明显破坏作为硐室发生宏观严重破坏的微观标志.根据微观损伤特征,可以看出硐室破坏随比例距离、硐室轴向、断面形状和尺寸而变化的趋势.同等条件下,直墙拱顶形硐室比圆形硐室破坏严重,大硐室比小硐室破坏严重,且应力波从侧向作用的硐室比应力波沿轴向作用的硐室、直墙拱形硐室比圆形硐室的尺寸效应强烈.在数值模拟研究中,采用了实测经验应力波规律和能表现材料破坏后性能劣化及脆性破坏非连续各向异性发展的材料模型,建立了适用的硐室工程破坏准则,编制了动力有限元参数化分析的计算程序,计算了大量模型的硐室破坏历程和最终工程状态.工程实例计算表明,数值模拟方法是合理可行的.通过数值模拟研究了荷载特征参数以不同方式变化、硐室大小、形状和轴向不同以及存在围岩松动圈、岩体各向异性弱化时和水饱和岩体中硐室受应力波破坏的效应.数值模拟表明,其他条件相同,硐室破坏程度随比例距离非线性地单调变化,在破坏方式有明显改变时硐室破坏形态会突变.当量、作用时间、硐室轴向、围岩松动圈、各向异性围岩弱化及岩体水饱和因素对硐室破坏的影响与荷载量级有关,当荷载较低时与荷载较高时影响效果不同,有时截然相反.硐室尺寸加大会使破坏形态改变,破坏加剧.在抗水平爆炸应力波作用下,矮墙拱顶形硐室比高墙拱顶形有利.药量立方根几何相似律对岩硐破坏具有较大的局限性.在载荷较高而峰值相同时,当量愈大硐室破坏愈重,载荷作用时间愈长硐室破坏愈厉害.围岩松动圈能使围岩拉应力状态削弱、压剪性破坏增强.围岩定向弱化能明显改变硐室破坏形态,弱化方向的影响非常突出.水饱和岩体中的硐室在应力波较强时比干花岗岩中破坏强烈,但应力波较弱时却相反.化爆模拟实验和数值计算都表明,在一定的载荷量级以下,对本来可能严重破坏的硐室进行全断面钢板衬砌加固是有效的.     

大连地下石油储备库洞室群围岩稳定性及渗流场分析

为分析水封式大连地下石油储备库洞室群围岩稳定性及渗流场特征,首先基于现场地应力实测结果的回归分析,利用Fish语言编写函数,反演初始地应力场。其次,采用三维离散元程序3DEC生成三维节理网络模型,反演库区初始渗流场的各向异性特征。最后,利用应力与渗流耦合模块实施开挖仿真计算,获取围岩应力场、位移场变化特征。考虑平行、垂直层理面不同材料特性,基于带有抗拉的Mohr-Coulomb强度储备型点安全系数,定量评价洞室群的稳定性。借鉴国外水封效果评价标准,分别从地下水位线和垂直水力坡降2个方面,分析渗流场变化特征。研究表明:在洞室周边平行层理面点安全系数为1.02～1.25,垂直层理面点安全系数为1.95～2.00。在补水隧道及注水孔组成的人工水幕系统作用下,建设期内地下水位下降3～5 m,地下水位距洞室顶55 m。开挖洞室附近平均垂直水力坡降大于1.0,满足设计规范及密封性要求。     

新型引水式电站中水压致裂地应力测量技术应用研究

在中国西南某新型引水式水电站工程中使用水压致裂技术开展了原地应力及相关岩体力学参数测试。结果表明,工程区现今应力场状态以NNW向挤压为主,最大主应力值为7.35～8.16 MPa,方向约为N33～52°W,倾角约26～39°。气垫调压室三维原地应力状态的最大主应力值为10.63 MPa,最小主应力为4.98 MPa;围岩岩体抗劈裂强度高值区在5.50 MPa以上,低值区为3.00～3.50 MPa。根据围岩应力分布非均匀性遵循的一般性规律,结合原地应力测量与裂隙围岩原地承载能力测试结果的各自特点,提出了利用地应力测量数据、原地承载力测试结果、弹性模量数据综合评估承压洞室围岩最小主应力的方法,给出气垫式调压室部位最小主应力综合评估值2.86 MPa。并分析了地应力状态对地下厂房、引水隧洞、气垫调压室稳定性的影响。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩变形与破坏特征分析

 结合地质、监测、物探及施工资料,对地下厂房施工期围岩的变形与破坏特征进行分析。分析结果表明,高地应力和低强度应力比条件下,围岩的变形不再主要由地质结构面的张开变形构成,由岩块破坏产生的变形所占比重增加。围岩的变形量级和松弛深度相对较大,边墙的主要松弛深度为12～15 m,部分大于15 m。围岩变形量级与松弛深度成正比,而松弛深度呈现出渐进扩展的趋势,因此变形的时效性应理解为围岩破坏的渐进扩展过程,与常规的流变概念存在差别。主厂房及主变室下游拱腰部位混凝土喷层鼓胀性裂缝是层状岩体在高应力条件下的卸荷劈裂和向临空面的屈曲破坏的结果,这种破坏导致下游拱脚部位位移测值的增大。主变室上游边墙混凝土喷层裂缝表现为张性开裂,主要原因是母线洞开挖后岩体应力集中导致的岩体压裂破坏。在高地应力条件下,地下洞室群开挖是否可采用“先墙后洞”的施工方案是一个值得探讨的问题。     

地下洞室围岩顶拱承载力学机制及稳定拱设计方法

 受枢纽布置和地形地质条件的限制,三峡工程地下厂房布置于右岸白岩尖山体中,主厂房洞室上覆岩体最薄处仅1倍厂房跨度,显然不满足现行规范关于上覆岩体厚度不小于2倍开挖宽度的要求。对于这类浅埋式的大跨度高边墙地下厂房,在上覆岩体厚度有限及一定初始应力条件下,洞室顶拱的稳定性是必须解决的首要技术问题。从岩体结构、岩体强度和地应力水平对围岩稳定性控制的角度出发,通过对地下厂房洞室围岩顶拱承载力学机制的研究,提出地下洞室岩体稳定拱的定义及其存在的力学条件,给出地下洞室岩体稳定拱的确定方法,分析采用地下洞室岩体稳定拱确定上覆岩体厚度的可行性,形成一套确定浅埋式地下厂房洞室埋置深度的稳定拱设计方法。研究结果表明,三峡工程地下厂房顶拱围岩具备形成稳定拱的埋深条件和水平应力等条件,形成稳定拱的最小埋深约为2/3倍洞跨,在上覆岩体中形成稳定拱的最小水平侧压系数应大于1.5,而最大水平侧压系数不宜高于3.0。据此进行主厂房顶拱设计,多年的应用成效显示,地下厂房顶拱围岩是稳定安全的,表明三峡工程地下厂房顶拱在既定的围岩强度、岩体结构以及初始地应力水平等条件下,采用稳定拱设计方法确定洞室上覆岩体厚度是合适、可靠的,能够保障洞室围岩稳定,满足工程安全的要求,可为解决大型浅埋洞室的设计提供理论基础和科学依据。     

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。     

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。     

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。     

不同洞形与加载方式对深部岩体分区破裂影响的模型试验研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为研究分区破裂的破坏机制和形成机制,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为工程背景,采用模型相似材料和数控真三维加载模型试验系统,开展圆洞、城门洞和马蹄形洞在沿洞轴向和垂直洞轴向加载条件下的洞室开挖真三维地质力学模型试验。模型试验研究表明：(1) 初始最大主应力平行于洞轴方向且其量值超过1.5倍围岩单轴抗压强度是深部岩体产生分区破裂的重要条件;(2) 洞室分区破裂的范围与洞形和洞室尺寸有关,洞室尺寸越大,分区破裂范围越大。模型试验结果有效揭示分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形特征与破坏机制奠定了坚实的试验基础。