深部地下洞室施工期围岩大变形机制分析

大岗山水电站引水发电系统地下洞室埋深大,花岗岩因风化卸荷强烈,岩脉破碎带发育,应力较高。在施工过程中,岩脉、断层穿越的主变室部位出现较大的变形,严重影响施工安全与进度。采用地质调查和现场监测的方法,结合现场施工情况分析主变室围岩大变形特征和机制,提出2种可能的大变形破坏模式,分析影响围岩大变形的因素,并评价主变室的稳定性。研究结果表明:主变室围岩大变形主要受辉绿岩脉8 1和断层f59,f60控制,同时,地应力高、施工强度大、支护进度滞后加剧围岩的大变形。深部地下洞室施工期的地质调查及现场监测可以及时预测高应力区卸荷围岩的大变形,以确保洞室施工期的稳定安全。研究成果对类似工程具有重要的参考价值。     

地下洞室围岩力学参数分区反演方法

地下工程开挖后,受开挖卸荷、爆破振动及其它施工影响,在围岩中形成一定范围的扰动区。在对其围岩力学参数进行反演时,有必要考虑不同区域的差异。依据损伤程度不同可以将围岩划分为若干力学参数不同的区域,提出了地下洞室围岩分区反演方法。并结合工程实际,利用功果桥水电站地下厂房某断面位移监测数据,对其围岩力学参数进行了分区反演,对反演所得参数进行有限元正算,所得监测点的位移与实测值误差在7%以内,证明了围岩分区方法的可行性与工程适用性。     

锦屏一级水电站地下厂房洞室群围岩时效变形研究

 锦屏一级水电站地下厂房由于其规模巨大、地质条件复杂、应力强度比较高,使得其围岩应力分布和变形的时效性更为显著。将导致围岩时效性的原因分为由开挖过程引起的时效性和由岩体流变性引起的时效性,并重点研究由岩体流变性引起的时效性。首先简要介绍并讨论岩体流变理论;然后以一代表性监测断面为例,对锦屏一级地下厂房的位移监测资料、声波资料及锚杆锚索张力监测资料进行时效性分析,并指出松动区是围岩时效变形最突出的区域;最后研究考虑时效变形的位移反馈分析方法,给出该方法的具体思路和数值实现手段,并以监5断面为例验证该方法的可行性和可靠性。研究表明,考虑时效变形的位移反馈分析方法可以有效模拟围岩在施工期内的时效性,为支护设计的修改提供参考依据。     

地应力对地下洞室开挖的塑性区影响研究

结合河南宝泉抽水蓄能电站地下洞室开挖过程的三维非线性分析，讨论了地应力场中侧压力系数对围岩塑性区分布的影响。其中，岩体材料为理想塑性，屈服准则采用Druc ker-Prager准则，从理论上推导了地应力中侧压力系数和材料参数与围岩塑性区之间的关系，主要是对洞室中典型的马蹄形洞室的3个最易出现塑性的区域进行了研究，得出了它们的塑性区分布规律与侧压力系数的关系。在河南宝泉抽水蓄能电站洞室开挖过程的三维非线性分析中，验证了这个规律。这些规律和认识可作为工程设计的参考和导则。     

洞室围岩薄弱区三维数值模拟研究

洞室围岩破坏通常是从局部开始的，首先破坏的部位就是围岩的薄弱部位或关键部位。对薄弱部位及时加固将收到事半功倍的效果。围岩软弱层带和围岩应力集中是形成薄弱区的两种基本原因。围岩的薄弱部位既具有一定的规律性，又可因岩体结构特征、初始地应力场、洞室形态和洞轴线展布方向、开挖方式的不同而有所区别。对泰安抽水蓄能电站地下洞群围岩稳定性进行了三维有限元数值模拟研究，结果表明：围岩最薄弱部位有时可能在距洞端一定距离上：围岩稳定性分析中选择洞室中部垂直洞轴线剖面作为典型剖面进行稳定性分析，由此而获得的计算结果有时可能偏于不安全。对于复杂的大型地下洞室群，应采用三维数值分析方法进行模拟才能找出潜在的围岩薄弱区。     

低地应力区地下洞室围岩变形破坏有限元数值模拟研究

低地应力状态对相关工程岩体变形破坏和稳定性有重要影响,以西安市黑河水利地下工程泄洪洞为例,采用弹塑性二维有限元法通过对低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏进行了数值模拟研究。模拟结果表明:低地应力区洞室围岩变形破坏主要发生在垂直方向,水平方向的规模和程度均不及前者,同时总结分析了低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏规律及其特征。该项研究工作将有利于进一步研究低地应力区地下洞室围岩变形破坏机理与稳定性,它对保障地下洞室工程的顺利进行起到积极促进作用,具有重要的理论研究价值和现实意义。     

大型地下厂房洞室群围岩稳定分析

 锦屏一级水电站最大坝高305 m,为混凝土双曲拱坝,电站装机容量360×104 kW,总库容77.6×108 m3,调节库容49.1×108 m3,是目前已建、在建和设计中的世界最高拱坝,其设计难度处于世界最高水平。针对地下厂区围岩类别较低、结构面发育、高地应力场以及洞室群规模巨大等情况,应用损伤力学理论,对地下洞室群的稳定性进行三维非线性弹塑性损伤有限元模拟计算,以判定地下厂房洞室群布置、施工开挖顺序、围岩支护参数的合理性,并对数值模拟结果与地质力学模型试验结果进行对比分析。结果表明,数值模拟和模型试验结果基本吻合,地下厂房洞室群围岩的整体稳定状态良好。     

地下洞室围岩稳定性评判方法新探讨

基于以围岩出现一定塑性松动区时对变形作为标准的围岩稳定性评判新思路，根据芬纳公式和修正的芬纳公式建立能够综合反映地下洞室围岩变形模量、强度参数以及洞室埋深的围岩稳定性评价指标分析方法，并与经验方法、规范推荐方法进行对比分析。该评判方法在西安市黑河引水工程和四川紫坪铺水利枢纽工程中的成功应用，表明该评判方法较经验方法、规范推荐方法更为科学、可靠，更具有可操作性与实用性。     

块体理论在低地应力区地下洞室围岩稳定性评价中的应用

以西北某市水利工程地下洞室泄洪洞为例 ,采用块体理论推导出了低地应力区地下洞室顶部和侧壁两位置处楔形体块体稳定性判别式。通过实例分析与计算 ,说明本文得到的围岩稳定性判别式正确且实用 ,这对进一步研究低地应力区地下洞室围岩稳定性具有重要的理论价值和实际意义。     

西龙池地下洞室围岩的现场监测及其稳定性分析

西龙池地下洞室群围岩呈缓倾角互层状结构，层理发育，岩性复杂，洞室开挖过程中，各种地质因素交互作用，洞室问相互影响。对复杂变化地质环境下的主厂房围岩进行了各种因素作用下的综合稳定分析，并依据多种测试手段，对开挖后围岩的稳定性和变形进行实时监测，掌握了洞室层状围岩变形破坏特征。以地下洞室开挖为算例，研究了围岩的力学动态，得出一些有益的认识和结论。围岩位移量计算结果与监测数据较好吻合，为施工开挖步序提供了可靠的依据。     

高地应力条件下大型地下洞室群围岩失稳模式分类及调控对策

锦屏一级、猴子岩等大型水电工程地下洞室群的施工过程中出现岩爆、塌方、大变形及支护后喷层、围岩开裂等围岩变形破坏现象,对围岩变形失稳模式及针对性的调控措施缺乏系统、总结性的研究。在收集大岗山、锦屏一级、猴子岩、官地等多个典型水电工程地下洞室群施工地质、设计、物探、监测资料及现场调查的基础上,从控制因素上将围岩失稳模式分为岩体结构控制型重力驱动型、应力驱动型、复合驱动型3种类型;从破坏主要发生的工程部位将破坏模式归纳为5个部位、16种基础模式;以猴子岩水电工程主厂房动态调控为实例,说明所提出的调控措施的有效性和可行性。该研究成果可为大型地下洞室动态设计提供借鉴,为施工安全的保障提供理论依据,具有重要的工程意义。     

高地应力条件下地下厂房洞室群围岩的变形破坏特征及对策研究

 依据官地水电站大型地下厂房洞室群地应力高、围岩坚硬、结构面发育等特点,在地应力特征、围岩结构特征分析的基础上,结合围岩变形监测成果和三维数值仿真分析成果,对洞室围岩变形破坏特征进行归纳总结,并系统提出高地应力条件下地下厂房洞室群的布置设计、开挖支护设计和施工对策。建议高地应力条件下,洞室纵轴线的选择应兼顾最大主应力方位和围岩主要结构面、采用较大的洞室间距和较大的顶拱矢跨比、采用合理的开挖方式和开挖顺序、适当提高喷混凝土强度等级、延时浇筑岩壁吊车梁和母线洞衬砌、合理确定锚索张拉力锁定值,对具备岩爆条件的洞室围岩先初喷50～60 mm厚的钢纤维混凝土后再实施系统锚杆和挂网喷混凝土层到设计厚度等。上述建议对于高地应力条件下类似地下厂房洞室群的设计与施工具有重要的指导意义和应用价值。     

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。     

猴子岩水电站地下厂房洞室群施工期围岩变形与破坏特征

猴子岩水电站地下厂房洞室群具有高地应力、低强度应力比的特点,在施工过程中出现严重的变形破坏现象。结合地质、监测、检测及施工资料对施工期围岩的变形与破坏特征进行分析,分析结果表明：主厂房、主变室及尾调室围岩位移大于50 mm的测点分别占17.2%,27.3%和9.4%,三大洞室围岩变形处于较大水平,远超其他电站同期水平。最大位移出现在III 1类围岩处,表明高地应力条件下,较完整硬岩产生的卸荷回弹变形较大,岩石本身破坏产生的变形所占比重增加。围岩变形深度为5～15 m,最大可达23 m,相对较大;围岩变形与开挖卸荷关系密切,呈“阶跃式”发展。围岩变形破坏以应力重分布起主导作用的应力驱动型为主,由结构面不利组合控制的重力驱动型不再占主导地位。研究猴子岩地下厂房洞室群围岩变形破坏机制对其施工及运营安全具有重要的工程意义。     

大型地下洞室三维弹塑性损伤动力有限元分析

采用动力时程分析法研究地下洞室地震响应特性。根据运动学动力平衡方程,以Newmark直接积分法为基础,结合三维弹塑性损伤有限元理论,编写动力时程计算程序。采用塑性附加荷载、损伤附加荷载思想考虑单元塑性及损伤情况,每时步计算对单元损伤状态进行继承,反映损伤不可逆性。采用增量变塑性刚度迭代法,求解非线性动力方程。计算结果表明,该方法一般3步内收敛,计算快,精度高。阐述大型地下洞室动力响应时程分析中,模型边界条件的设置方法及动荷载的输入方式。通过对渔子溪大型水电站地下厂房洞室群的模拟计算表明,该程序计算速度较其他商业程序速度快,计算结果合理,准确,可以应用于地下工程动力时程分析。     

围岩变形的时效特征与预测的研究

在假设围岩地层的性态服从三元件粘弹性模型的基础上,结合对宜兴抽水蓄能电站地下厂房试验洞位移量测数据的分析,提出一种确定地层时效特征参数和预报地层变形的方法。内容包括在考虑试验洞开挖面空间效应影响的前提下对现埋孔的位移量进行修正。根据位移–时间关系曲线的回归方程建立任意时刻围岩地层等效弹性模量间的关系式,给出确定三元件粘弹性模型参数值及对洞周地层的变形进行预报的方法。研究表明:位移量的预报值与回归值可较好吻合,表明这一方法可供同类工程采用。     

高地应力下大型地下洞室群开挖顺序 与支护参数组合优化的智能方法

 针对高地应力下围岩变形破坏的特殊性以及大型地下洞室群开挖支护优化计算量大的特点,在三维弹塑性数值计算的基础上,采用反映高地应力下脆性岩石变形破坏特点的新本构模型,提出基于弹性释放能、塑性区体积、洞室周边位移与支护费用的地下洞室群开挖顺序与支护参数组合方案的综合优化新指标,综合集成粒子群与支持向量机的智能技术,提出高地应力下地下洞室群开挖顺序与支护参数的智能优化新方法。该方法通过典型施工方案的数值计算构建学习样本,采用支持向量机方法对样本进行学习与预测,建立起施工方案与综合优化指标之间的非线性映射关系,在具有一定约束条件的全局空间下,通过粒子群优化算法搜索出开挖顺序与支护参数的全局最优组合方案。将该方法应用于高地应力区黄河拉西瓦水电站地下厂房洞室群的开挖顺序和支护参数优化分析,结果表明该方法的可行性。     

块体理论在荒沟抽水蓄能电站地下厂房系统硐室群围岩稳定性分析中的应用

荒沟水电站地下硐室群开挖区围岩裂隙较发育,因此确定硐室群开挖面上可能产生的块体及其稳定性对工程施工意义重大。综合考虑荒沟水电站地下硐室群地质条件及其裂隙较多的特点,采用适合于裂隙岩体稳定性分析的块体理论,对其围岩稳定性进行分析。由于需考虑的裂隙多而导致计算量较大,因此分析方法采用可实现程序化的矢量分析法,依据其原理并结合地下硐室三维坐标体系,应用大型数值软件MATLAB编制计算程序。该程序通过输入结构面产状、测点坐标等工程数据,依次分析各关键块体,得到其顶点坐标、体积、稳定系数等相关信息,再利用CAD展示关键块体在三维空间中的位置和几何形态,从而为地下硐室群的开挖施工提供指导。     

地下厂房围岩变形特征分析

作为一种非连续介质,岩体的变形行为与连续介质存在较大差异。以施工期变形监测资料为基础,结合地质和施工资料,对地下厂房的围岩变形特征及其机制进行分析。围岩变形的空间分布受结构面控制作用明显,不论在水平方向、垂直方向,还是在钻孔深度方向,由于结构面的存在变形均可能出现分异现象;邻近洞室开挖对围岩变形的影响较为复杂,距离越近影响越大的一般性规律不一定成立;围岩的变形主要由控制性结构面的"张开位移"构成,"张开位移"占全部变形的84%～92%。围岩的上述变形特征揭示了基于连续介质力学的数值方法的局限性,因此加强离散类数值方法(DDA等)在岩体宏观变形模拟方面的应用研究是一个值得深入探索的课题。     

松动圈分区模型及其在地下工程反馈分析中的应用

 在地下洞室的开挖过程中,由于爆破以及其他施工操作的影响,将会在洞室周围的岩体中产生出一个松动圈。介绍几种松动圈模型及其在数值分析中对松动圈的处理方法;结合洞室开挖后围岩松动圈形成及分布的差异性,提出一种更适合于大型地下厂房复杂洞室群位移反馈分析的分区分级频率–位移相关松动圈模型,并介绍其在锦屏一级水电站地下厂房洞室群施工期反馈分析中的应用,借此验证考虑松动圈的反馈分析方法的合理性及提出的松动圈反馈模型的地下工程适用性。