大埋深、高地应力地下洞室群围岩破坏机理及应对措施研究

地下洞室开挖过程中,脆性围岩应力释放型破坏(岩爆、片帮掉块等)和结构面—应力型破坏(围岩松弛、喷层开裂、顶拱坍塌等)是洞室群围岩破坏常见的主要形式。文章以白鹤滩水电站左岸尾水连接管洞室群为研究对象,结合现场踏勘统计分析,基于500μm显微镜观察、室内岩石力学单轴压缩试验对围岩应力释放型破坏机理进行了研究,基于数值模拟、孔内摄像技术对围岩结构面—应力型破坏机理进行了研究,并分别提出了相应的应对措施。研究表明,完整性较好的脆性围岩(Ⅱ类)具有一定的塑性性能,洞室开挖卸荷后岩体易发生压剪破坏,产生与受力方向呈小夹角的破坏面,塑性势能沿破裂面释放,进而引起薄层掉块或岩爆现象;对于完整性较差的围岩(Ⅲ类),由于节理、错动带等裂隙的存在,多表现为岩性强度高、岩体强度低的性状。围岩微裂纹在高地应力作用下逐渐扩展连通,形成相互切割的结构面,并逐步向岩体深部不断发展,直至应力完全释放,受周边洞室爆破振动影响时易发生坍塌现象,破坏过程在宏观上表现为由表及里并具时效性的特点。     

高地应力隧道岩爆特征及综合施工控制技术

岩爆是指围岩在高地应力作用下,储藏在岩体内的应变能突然猛烈释放,导致岩石爆裂并弹射出来的一种现象,它是深埋高地应力隧道主要地质灾害之一。以福建漳州至永安联络线高速公路的官田隧道部分高地应力-极高地应力围岩段为工程依托,就岩爆施工监测、超前钻孔及超前支护、钻爆设计、开挖方法及安全防护等关键技术进行探讨,提出不同阶段不同程度岩爆应采取的综合技术及安全防护措施,也为今后类似工程提供有益参考。     

闹市区大断面地铁车站钻爆开挖及振动控制

城市地区地铁车站钻爆法开挖施工,将对周边建筑物和人员产生较大影响甚至造成危害。文章以重庆轨道交通环线洪湖东路车站钻爆法施工为例,详细阐述了爆破方案及爆破参数的设计,通过采用断面分部开挖、三级楔形掏槽、预裂爆破和逐孔爆破网路等技术措施,最大限度减少地表沉降和爆破地震强度对周边环境的影响。实践表明,地铁车站开挖采用本文提出的综合技术措施能显著降低爆破振动,减少钻爆施工对围岩的扰动,确保周边建筑物和人员安全。     

繁华城区浅埋大断面隧道减震爆破技术

文章以重庆轻轨较新线临江门车站隧道为例,介绍了复杂条件下城市浅埋硬岩特大断面隧道减震爆破的施工方法。开挖爆破中由于采用了一系列综合减震措施,使其对隧道周边围岩的影响降低到了最小程度;在爆破设计中,掏槽眼增加了减震孔,周边眼增加了导向孔,并采取隔孔装药方式,对提高炮眼利用率起到了良好的作用。监测结果表明,爆破震速控制较好。     

完整围岩剪切型岩爆发生的力学机制

文章根据大量工程岩爆实例,总结剪切型岩爆的特征,在此基础上提出一个剪切型岩爆的简化力学模型,在考虑岩爆区岩体自身能量释放的基础上,结合Cook刚度理论对剪切型岩爆发生的物理力学过程进行研究,分析由于潜在剪切破裂面本构曲线峰后软化现象而产生的围岩结构失稳,以及失稳阶段围岩结构对外界的能量释放,对剪切型岩爆的非稳定性机制进行探讨。研究结果表明:剪切型岩爆可以看成是由于开挖应力集中作用下潜在剪切破裂面剪切错动滑移,引起自身及周围完整岩体能量突然急剧释放,导致岩爆区岩体破碎并向开挖临空面抛掷的现象。岩爆区岩体及周围完整岩体所释放的能量对剪切面的作用相当一对串联弹簧的作用效用。剪切型岩爆的发生受岩性、潜在剪切破裂角、剪切面周围岩体刚度的控制作用,是围岩受力变形过程中岩石材料力学性质渐进性劣化导致的一种能量释放驱动下的围岩状态失稳突跳现象。     

采用三台阶工法开挖的原位扩建隧道现场监测及分析

为研究三台阶法施工对原位扩建隧道结构及邻近既有隧道扰动的影响规律,文章依托福建厦蓉高速公路后祠隧道原位扩建工程,分别对隧道围岩及支护结构应力、松动圈及应力场和邻近既有隧道爆破振动进行了现场监测。结果表明,断面各部位围岩及支护结构应力随时间推移而缓慢增加,最终趋于平稳,且每级台阶开挖均会对其产生扰动,表现为应力的突增;扩建后隧道围岩松动圈拱顶位于6~9 m深处,左右边墙均位于0~6 m深处,拱顶沉降位移大于两帮收敛位移。左边墙围岩应力大于右边墙围岩应力,洞周3 m深处围岩应力小于6 m深处围岩应力,开挖造成的围岩塑性区为3 m左右;施工中实际爆破振速大多小于设防标准,爆破对既有隧道的支护结构体系未造成重大破坏,最大爆破振速出现在监测断面前10 m左右的位置,与掌子面相比振速增长2.9%~4.5%,且围岩质量越好,峰值振速越大,最大峰值振速断面前方振速衰减速度远远小于后方振速衰减速度。     

基于复变函数理论的深埋隧道岩爆特性分析研究

岩爆的准确预测对隧道的安全、快速施工具有重要的意义。文章针对隧道岩爆特征,借助共形映射函数,以无限单连通域的Laurent级数表示的映射函数为基础,应用Muskhelishvili提出的复变函数解法得出侧压力作用下圆形断面的应力统一解;选择合适的岩爆判据,得出岩爆综合评定等级,并将解析计算的结果与数值模拟计算得出的岩爆结果及实际岩爆情况进行对比分析。结果表明:隧道围岩的不同部位出现不同程度的应力集中,开挖后的最大压应力主要位于拱顶处;深埋隧道段围岩开挖后,受构造应力影响的结构面应力会出现突变及应力集中;解析计算结果与数值模拟和实际岩爆结果基本吻合,证明了借助复变函数分析岩爆预判的有效性,对施工有一定的指导作用。     

福建梅花山隧道岩爆机理的数值模拟分析研究

受隧道分步施工开挖顺序的影响,隧道围岩内将会产生应力应变的非线性变化,在高地应力区域这种力学效应将更加明显,并会引起岩爆、片帮等严重地质灾害。文章结合福建梅花山铁路隧道工程实例,利用3D-Sigma软件建立三维隧道开挖数值模型,以实测应力数据为边界条件并利用Hoek-Brown强度准则估算确定岩体的输入参数,分析了开挖过程中开挖步骤的相互影响,以及隧道的三维时空应力场的变化规律。结果表明,隧道在高地应力作用下,拱顶形成压应力集中,拱肩位置形成了剪应力集中,这些应力集中导致洞壁围岩发生脆性破坏,并且后续的开挖作业会影响先前开挖成型的洞段,导致应力集中作用更为明显,加重围岩的破坏;工程实践中实际发生岩爆的位置与数值模拟结果中显示的最大压应力和最大剪应力集中位置对应良好,证明数值模拟结果能很好地揭示该隧道岩爆发生的孕育机理和规律性。     

循环冲击下灰岩动态破坏的围压效应

为优化地下工程巷道围岩掘进爆破参数和控制爆破对围岩的扰动，亟需掌握围岩的动态力学特性和破坏、能耗等特征，借助分离式霍普金森压杆（SHPB）开展灰岩在三维动静组合循环冲击下的试验研究，分析一定轴压、不同围压和循环冲击耦合作用对灰岩峰值应力、动态抗压强度、破坏特征以及能量吸收率等的影响。结果表明：当轴压一定时，灰岩在相同冲击次数下的峰值应力和动态抗压强度随围压的增大先增大后降低，破坏程度随围压的增大先减轻后加剧，说明适当地增大围压会提高灰岩的抗冲击性能，但这种提高并不是无限的，围压过高会使灰岩的内部损伤劣化，进而降低其抗冲击性能；灰岩的能量吸收率随冲击次数呈多项式关系，其吸收的冲击入射能随着围压的增大先降低后升高，适当的围压会降低灰岩的吸收能，但过大的围压会使灰岩试样吸收能明显升高。因此，地下工程在爆破开挖前，可根据围岩应力检测判断围岩受力状态，进而预判不同单响药量下的破岩效果，为调整和优化爆破参数以及控制爆破对围岩造成的损伤和扰动提供理论支撑。     

深埋高地应力水工隧洞节理岩体开挖塑性区特征及分布规律研究

深埋高地应力水工隧洞处于复杂的地质力学环境中,开挖过程中围岩塑性区的分布及演化规律是隧洞稳定控制的关键。为了揭示高地应力水工隧洞开挖塑性区特征及分布规律,文章采用理论分析与数值模拟相结合的方法,推导了塑性区范围的计算公式,并引入新的无量纲参数作为非圆形隧洞围岩塑性区的评价指标,分析了节理岩体在高地应力条件下,侧压力系数以及开挖扰动对围岩塑性区的影响。研究结果表明,开挖扰动对于岩体开挖塑性区发展的轴向影响范围大约为1.0～1.5倍洞径,对于存在节理面的岩体,该影响范围可达到2倍洞径。侧压力系数直接影响围岩的塑性区形状,围岩塑性区有顺着节理面进行不规则扩展的趋势;水平应力与垂直应力差异性越大,节理面对围岩塑性区范围的影响越大,同时节理面有阻止塑性区沿垂直节理面方向扩展的作用。     

下导洞超前施工技术在大断面山岭硬岩隧道中的应用

在大断面山岭硬岩隧道施工中,多采用传统的全断面、台阶法施工,往往由于开挖断面大、岩石坚硬、缺少爆破临空面等因素的影响,导致掏槽效果差、爆破震动大、爆破进尺小、炸药消耗多、开挖工效低、施工成本高等一系列问题.文章针对这些问题,结合大断面山岭硬岩隧道钻爆法的施工经验,总结、研究了下导洞超前法在大断面山岭硬岩隧道中的应用技术.通过施工实践证明,该方法可提高爆破效率、减少对围岩的扰动、超前排水降压、预防岩爆,达到降低施工成本、提高施工进度的目的,可为大断面山岭硬岩隧道的安全、快速施工提供借鉴.     

山西省万家寨引黄工程国际一标岩体爆破效应的声波测试

井巷开挖后,围岩应力会重新分布出现应力降低区和升高区,形成松驰圈。测定松驰圈的破碎程度和松驰范围,可以评价爆破效果,判断围岩稳定性,为支护设计提供依据。介绍了引黄工程国际一标声波测试系统,工作方法及成果分析,并利用测试成果对国际一标的爆破方法进行评价。     

毛羽山隧道高地应力软岩大变形施工控制技术

兰渝铁路毛羽山隧道出口段穿越薄层状碳质板岩地层,区域原岩应力较大且以水平构造应力为主,隧道开挖过程中出现严重的大变形情况。通过分析,认为高地应力、最大水平主应力与隧道轴线呈大角度相交是大变形的主要因素。隧道施工过程中,通过采取提高支护体系刚度、合理预留变形量,以及采用长锚杆、多重支护和超短台阶法等常规措施控制了围岩变形;基于对围岩动态演化机制的认识,提出了高地应力隧道超前导洞法应力控制释放技术,开展了大型工程试验。阶段性试验成果表明,采用超前导洞有效地降低了正洞施工时的变形速率,对上中台阶影响尤为显著。通过对应力控制释放技术研究的进一步深化,有望探索出安全、高效的高地应力软岩施工新技术。     

深埋隧道结构型围岩变形机理及控制研究北大核心CSCD

新建兰渝铁路多座长大深埋隧道开挖过程中遇到层片状围岩,产生强烈的挤压变形,主要表现为初期变形强烈迅速,变形持续时间长,变形破坏的空间分布具有强烈的各向异性。常规的控制手段不能很好地解决这种强烈各向异性的变形方式,导致现场频繁采取补强支护措施,给工程建设带来了很大的影响。文章针对研究区特殊的非线性大变形破坏现象,综合应用现场工程地质调查、室内试验、现场测试以及3DEC离散元数值模拟等手段,深入分析研究区层片状围岩的结构大变形的破坏机制。研究表明,高地应力诱发低强度围岩开挖后发生迅速而强烈的挤出变形,层片状围岩结构强度的各向异性控制了开挖后应力重分布及隧道断面变形的不对称分布。基于对围岩非对称变形机制的认识,从围岩控制的角度,提出了一种针对层片状岩体扰动各向异性的定向支护措施,对围岩进行主动加固。     

长大深埋山岭隧道岩爆地段关键施工技术

岩爆研究成果丰富,但仍然是一个世界性难题。文章结合向莆铁路高盖山隧道、金瓜山隧道施工岩爆工程实例,采用国内外常用的岩爆判据和岩爆分级方法,研究分析了实例工程岩爆特征、岩爆等级、影响因素,以及岩爆预测预报方法,提出了岩爆防治措施,包括应力解除钻孔、注水湿化和锚固等方法;同时,在综合已有资料的基础上对岩爆判据、分级及防治等方面提出了意见和建议,强调岩爆判别应采用多因素综合判别准则。     

深埋隧道结构型围岩变形机理及控制研究

新建兰渝铁路多座长大深埋隧道开挖过程中遇到层片状围岩,产生强烈的挤压变形,主要表现为初期变形强烈迅速,变形持续时间长,变形破坏的空间分布具有强烈的各向异性。常规的控制手段不能很好地解决这种强烈各向异性的变形方式,导致现场频繁采取补强支护措施,给工程建设带来了很大的影响。文章针对研究区特殊的非线性大变形破坏现象,综合应用现场工程地质调查、室内试验、现场测试以及3DEC离散元数值模拟等手段,深入分析研究区层片状围岩的结构大变形的破坏机制。研究表明,高地应力诱发低强度围岩开挖后发生迅速而强烈的挤出变形,层片状围岩结构强度的各向异性控制了开挖后应力重分布及隧道断面变形的不对称分布。基于对围岩非对称变形机制的认识,从围岩控制的角度,提出了一种针对层片状岩体扰动各向异性的定向支护措施,对围岩进行主动加固。     

大相岭泥巴山隧道岩爆防治数值模拟分析

大相岭泥巴山隧道为雅安—泸沽高速公路的控制性工程,由于隧道埋深大、地应力高、穿越的地层主要为硬脆性围岩,洞室开挖后岩爆时有发生.文章以该工程为背景,通过数值模拟分析了开挖中采用锚喷支护措施对减弱或防治岩爆的效果,并对不同锚杆长度和间距的防治效果进行了对比分析.结果表明:采用锚喷支护能够降低最大主应力、增大最小主应力、减少主应力差,可以有效降低岩爆的烈度;采用间距1m、长度3m的锚杆进行锚喷支护最经济有效.     

浅埋隧道开挖引起围岩及地表变形和应力释放特性浅析

通过数值仿真分析试验,分析了浅埋隧道开挖施工引起的隧洞围岩及地表的沉降变形和应力释放特性规律.试验结果表明,开挖后拱顶围岩沉降变形明显,为施工支护重点控制部位;隧道底部将发生隆起,并随着距离隧道中心线越远,隆起趋于平缓;开挖将引起地表沉降变形,随距离隧道中心线越远沉降越小;开挖引起围岩应力释放大约在3倍洞径左右.     

高地应力软岩隧道变形控制设计与施工技术

高地应力软岩隧道施工中常常发生大变形地质灾害,给工程的安全施工和建设管理带来极大的困难。文章依托兰渝铁路高地应力软岩隧道,进行了高地应力软岩隧道围岩分级,制定了初期支护破坏准则,同时建立了地应力合理释放与有效约束之间的平衡。在高地应力软岩隧道设计与施工中,通过采取预留变形量、合理的初期支护、可靠的开挖工法、关键部位锚注加强、动态支护补强等5项技术措施,有效地控制了大变形的发生,达到了初期支护不破坏、不拆换的目的,保证了工程的安全快速建设。     

预筑拱控制软弱围岩变形机理的研究

软弱围岩变形主要发生在掌子面前方,控制软弱围岩变形的关键环节是控制掌子面前方变形,即预收敛。预筑拱以其横向连续性好、施工速度快等特点在控制软弱围岩预收敛方面具有良好效果。文章通过FLAC3D建立三维数值模型,分析研究了预筑拱控制软弱围岩变形的机理。研究发现:(1)预筑拱能有效地控制隧道预收敛变形、收敛变形以及隧道上方围岩变形,围岩条件变差时预筑拱作用效果更加明显;(2)预筑拱能够有效地控制掌子面前方围岩的应力释放,从而有效地控制隧道上方坍落拱的发展范围,限制拱顶区坍落拱的分布区域,减少开挖对围岩的扰动,限制围岩应力重分布程度;(3)由于限制围岩应力释放,预筑拱所受围岩荷载比传统支护所受围岩荷载大。