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。     

节理岩体隧道围岩稳定性判定指标合理性研究

隧道围岩失稳模式和稳定性判据一直是工程界争论的焦点,迄今没有科学合理的标准,常以洞周位移或塑性区经验值作为稳定性判定指标。洞周位移受围岩弹模、隧道形状等因素影响,而且不同部位变形值差异很大,很难找到统一标准;以塑性区作为稳定性判据优于以位移作为判据,围岩塑性化反映连续介质宏观塑性流动力学动态,而不能用于量化判定由优势结构面控制节理岩体破坏的隧道稳定性。文章结合细观节理形态和变化,通过UDEC离散元程序,研究节理岩体隧道失稳模式及量化的稳定性判定指标,探讨了细观结构机制和宏观力学行为关系。结果表明:(1)结构面极大地削弱岩体力学性质及其稳定性,结构面变形与强度性质对于隧道稳定性起着关键控制性作用;(2)节理岩体隧道扰动区可划分为脱落区、张开区和剪切滑移区,其中脱落区表征围岩失稳模式,张开区围岩处于脱落临界状态,即塌方潜在区域;(3)剪切滑移区是诱发围岩发生渐进性破坏主因,提出将剪切滑移区作为节理岩体隧道稳定性判定指标具有严格力学依据,可以定量化评价围岩稳定程度。最后,以在建兰渝铁路木寨岭隧道为例,对比了锚杆支护前后力学效应,验证了以剪切滑移区作为节理岩体隧道稳定性判定指标的可靠性、合理性和现实性。     

节理岩体中TBM掘进施工围岩稳定性及可视化分析

节理岩体的地质赋存特征含岩体结构、原岩应力场和地下水三方面,由此产生诸如破碎带、大变形软岩、富水带等恶劣的工程地质条件。TBM在节理岩体中掘进受到岩体地质特征和工程地质条件的影响,同时也对岩体造成一定的扰动,可能将导致隧道围岩发生失稳。另外,地质勘探不到位、掘进机选型不当等因素也会导致或促进围岩发生失稳。TBM掘进围岩失稳的形式主要有开挖面失稳和洞周失稳,以及二者兼有的大型围岩失稳。为了更直观地观察TBM掘进围岩失稳,文章采用自主研发的块体理论分析软件BLKLAB对节理岩体进行三维可视化建模,模拟TBM隧道开挖,并根据块体理论计算分析得到了开挖面和洞周的可动块体和关键块体。     

基于非接触测量技术裂隙岩体隧道开挖局部损伤分析

裂隙岩体损伤区的合理确定对于工程开挖和支护方式的选择至关重要。文章针对这一问题,提出了基于现场岩体结构面的精细测量和表征技术,利用优化后的数值模型定量分析隧道岩体损伤区范围及其力学特性;结合辽宁建兴高速公路某隧道开挖工程实例,采用非接触测量手段采集隧道掌子面的结构面信息,并导入GeoSMA-3D系统,生成接近实际情况的三维空间结构面模型;在此基础上利用颗粒流数值方法 PFC计算确定隧道开挖损伤区范围,并对围岩应力、位移曲线和力链、裂隙分布进行了对比分析。其研究结果表明,力链集中表征围岩开挖扰动程度,裂隙的密度表征围岩开挖损伤程度,而裂隙的贯通则与破坏区对应,从而可以较准确地识别节理岩体隧道工程中岩体损伤区范围及其力学特性;同时利用PFC也较好地模拟了岩石在破坏阶段存在的损伤局部化现象。     

地下工程中岩爆作用的主要特征

已有的研究和现场观测结果表明,地下工程中的岩爆作用与自然地震作用没有本质性差异,狭义的岩爆作用属于岩体弹性应变能释放系列中强度最大的区段,能够存储弹性应变能的结构面不发育的完整岩体是岩爆作用发生的必要条件之一,与岩爆作用具有成生联系的因素有岩体中的初始地应力、岩体中大型结构面特征、地下水条件、施工工艺等,大型地下洞室中发生的岩爆作用可能具有双峰模式.     

土岩软硬结合部隧道结构的震害机理分析及抗震研究

在土岩软硬结合部,土体与岩体由于刚度、质量密度等力学参数不同而产生不同的地震动响应,继而导致隧道结构发生严重破坏。文章结合青岛海底隧道相关资料,研究分析了地震灾害来临时隧道结构在土岩软硬结合部位的破坏机理及相关抗震措施。研究结果表明,在土岩软硬结合部,地震动作用下的围岩失稳、大的地震惯性力,以及大能量基岩面波产生的变形能都会导致隧道衬砌发生破坏,而大能量基岩面波产生的变形能是主要原因;当保持围岩稳定或使隧道结构的质量密度、刚度与围岩相差不大时都可以防止土岩软硬结合部隧道结构发生破坏,而后者是最有效的途径;轻质量延性隧道的抗震性能良好。本研究成果对于揭示土岩软硬结合部隧道结构的震害机理及优化抗震设计具有一定的借鉴意义。     

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。     

高地应力水平层状硬岩隧道岩爆分级与防控技术研究

本文依托乐汉高速大峡谷隧道,总结分析了高地应力水平层岩爆的特征并提出了岩爆分级标准。在岩爆分级的基础上,提出了针对不同岩爆等级的处置措施。现场实践结果表明,对于弱岩爆可以采用全断面法开挖,降低扰动次数。对于中～强岩爆段,宜采取短进尺分部开挖,降低爆破对围岩的一次性扰动,同时采取应力释放孔、应力解除爆破孔等辅助措施提前释放围岩应力。     

基于PFC~(3D)的深埋圆形巷道变形破裂时效特征分析

深部岩体的变形破裂时效特征是事关巷道稳定性与控制的关键问题,文章以某深埋巷道工程为背景,采用离散颗粒元软件PFC~(3D)以及物理模型试验分析了巷道周边岩体的变形破裂时空演变规律与机理。研究结果表明:(1)巷道围岩变形与巷道开挖时间呈"台阶式"增长关系,与其距巷道表面的距离则呈指数衰减关系;(2)随着巷道向前推进,巷道两帮岩体会在拱腰附近出现往深处以及顶底板方向逐渐扩展的剪切滑移裂纹,同时其裂纹数目、破裂分形维数值将呈指数衰减式增长变化;(3)巷道岩体剪应力传递是一个滞后和衰减的过程,巷道开挖将使巷道两帮浅部岩体剪应力迅速增大而发生屈服破裂现象。当发生屈服时,该处岩体剪应力将往深处传递,导致邻近岩体发生延性剪切破坏,进而产生明显的剪切滑移裂纹。     

软弱隧道围岩锚杆支护效应的落门试验研究

在软弱围岩中进行隧道开挖,往往因岩体变形过分或局部应力集中而导致围岩失稳破坏,在实际工程中大多采用锚杆作早期支护。文章以Ⅳ级软弱围岩为参照对象,利用相似模型试验进行了锚杆支护条件下的隧道施工过程模拟,对开挖过程中围岩的渐进破坏特征、破坏模式以及锚杆的支护效应进行了研究。试验结果表明,隧道开挖将会在隧道周边形成一应力扰动区,而真正塌落成拱的只是该扰动区的一部分;由于有锚杆的支承作用,拱顶岩体的破坏呈分区破坏模式;岩体的破坏范围主要集中在隧道两侧与水平面成45°+φ/2的扇形区域内;在隧道开挖后,拱顶上方岩体的切向应力升高形成承载压力拱,主要位于距拱顶约1.0~1.25B处(B为隧道跨度)。     

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。     

隧道围岩沿结构面滑移判据及其影响因素分析

文章利用弹性力学方法,在连续性假设和Mohr-Coulomb滑移准则基础上,推导了圆形隧道围岩沿结构面滑移的判定条件,并预测了结构面不同内摩擦角情况下的围岩最小滑移区域。利用离散元数值方法对该判据进行了验证,结合不同内摩擦角下的结构面剪切位移,证明了该判据的合理性;确定了保持圆形隧道围岩稳定而不出现滑移所需的结构面最小极限内摩擦角的影响因素及其数学关系,其影响因素包括侧压力系数、结构面倾角、以及隧道圆心到结构面垂距,并分析了上述3个因素对结构面最小极限内摩擦角的影响规律。结果表明:侧压力系数和结构面倾角主要影响远离隧道部位为保持围岩稳定所需的结构面最小极限内摩擦角,而垂距只影响靠近隧道开挖边界部位结构面的最小极限内摩擦角,对超过2.5倍开挖半径的区域影响效果不明显。研究结果可对含结构面岩体中隧道加固提供参考。     

前伏溶洞巷道开挖突水数值模拟研究

为研究前伏溶洞对巷道开挖围岩稳定性的影响,文章结合工程实例,采用FLAC~(3D)建立考虑渗流-应力-损伤相互影响的数值模型,分析了溶洞巷道围岩在开挖过程中应力、变形、塑性区以及渗流场的变化特征。分析结果表明:(1)当工作面靠近溶洞时,溶洞对巷道前方岩体的分区破裂损伤现象有一定的抑制作用;(2)随着工作面距溶洞距离的减小,巷道工作面岩体最大位移将逐渐增大并出现"突变"特征,同时最大位移位置也会随着涌水通道的变化而不断变化;(3)当防水岩柱小于一定厚度时,前伏溶洞巷道围岩涌水量将会突然增大,表现出明显的突水现象;(4)巷道围岩渗流与渗透系数变化是导致前伏溶洞巷道突然发生坍塌、掉块以及突水的根本原因。     

散体围岩隧道开挖中超前小导管注浆的作用

散体围岩隧道开挖后,围岩稳定性差,易出现大变形沉降、掌子面挤出、拱顶坍塌等危害,必须进行超前支护。以吉怀高速公路杜夜隧道进口浅埋强风化岩层段为例,对超前小导管注浆在散体破碎围岩开挖中的加固机理进行探讨,采用FLAC~(3D)三维数值模拟方法,结合遍布节理模型描述岩层结构的特点对小导管注浆施做过程中的受力、位移变形及支护效果进行研究,定量分析超前小导管注浆的加固机理。研究表明:对于散体破碎围岩,采用遍布节理模型可同时考虑岩块和节理属性,更符合岩体状态和工程实际;超前小导管注浆技术能改善围岩的力学性质,提高岩体的刚度及强度,增强散体围岩自稳能力,显著抑制散体破碎围岩的变形,减少隧道支护结构的变形和受力,避免散体围岩隧道开挖中坍塌现象的发生。     

弱胶结软岩地层煤巷稳定性的参数影响度及其破坏特征

西部矿区弱胶结软岩地层煤巷的稳定性是目前施工过程中亟待解决的问题。煤巷失稳是岩体-煤体-岩体组合结构的整体力学行为,为此,建立了顶底软岩夹持下煤层开挖巷道的计算模型。选取各层岩体及煤体的强度、刚度、厚度参数以及埋深为影响因素,巷道顶底及两帮位移量为评价指标,设计了混合水平的正交数值试验。通过定义量化指数κ,以不同检验水平下的F统计量为标准,对各因素的影响显著程度进行了五个水平的量化分级,即:高度显著、显著、较显著、有影响和无影响。分析结果表明,在埋深一定时,煤层的刚度参数对巷道变形具有显著影响;在不同的因素水平组合下,围岩呈现顶板拉剪、底板拉剪、煤层拉剪等多种破坏形式,对进一步分析煤巷失稳破坏机理及巷道维护具有重要的参考价值。     

钻爆法和TBM两种不同施工方法下深埋高外水压力隧洞的破坏特点及其力学机制分析

钻爆法和TBM法是地下工程掘进的两种主要方法,其对围岩扰动程度、加固措施有显著影响。文章以四条平行分布且分别采用TBM法和钻爆法掘进的大型隧洞为研究对象,进行同一地质条件下不同开挖方法对围岩破坏的影响研究。通过大量地质资料的统计处理、力学分析,总结了围岩的破坏方式,并归纳对比两种不同施工方法对围岩影响的共性特征,包括破坏部位相同、破坏面积相近、破坏坑深相近。另外,对比了两种方法对围岩影响的差异性,包括TBM施工时二次破坏范围比钻爆法的二次破坏范围大,并且易于产生岩爆和应力型破坏,但钻爆法施工时岩体易发生结构面型破坏。在此基础上,分析了各种破坏现象的力学机制,研究成果可为同类工程的施工和加固提供参考。     

深埋隧洞围岩应力分布与破坏机理

深埋隧洞围岩高应力破坏机理是研究深埋岩体力学特性和深埋地下工程实践中被关注的一个重要认识问题,深埋条件下围岩应力和围岩强度之间的矛盾更加复杂和典型,也成为认识问题的基本出发点。文章介绍了深埋隧洞开挖时不同部位围岩应力的变化路径;通过对比锦屏辅助洞出现的围岩破坏现象,分别论述了导致边墙松弛型破坏、应力集中部位的片帮破坏和岩爆破坏的围岩应力变化特征,在一定程度上解释了这些破坏的内在机理;并通过采用数值方法再现脆性围岩V型破坏形式,分析探讨了脆性围岩高应力破坏的局部化问题;指出了深埋岩石力学研究中的几个重要环节,如岩体力学特征的尺寸效应和应力路径效应等对准确认识深埋隧洞高应力破坏内在机理的重要意义。     

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。     

不同温度下花岗岩三轴压缩试验的声发射特性

为研究热-力作用下花岗岩的破裂规律,采用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统和PCI-Ⅱ声发射仪开展了黑云母花岗岩在不同围压和不同温度作用下的三轴压缩试验。研究结果表明:在20℃,40℃和60℃的温度作用下,声发射事件的密集程度和声发射累计振铃计数以及最大AE能率随着温度的升高而增加,宏观破裂角逐渐减小,岩石的脆性破坏特征逐渐增强;在60℃,90℃和130℃的温度作用下,声发射事件的密集程度和声发射累计振铃计数以及最大AE能率随着温度升高而减小,宏观破裂角逐渐增大,岩石的剪切破坏特征逐渐增强;同时,随着温度升高,剪切破坏造成大量低能量释放率的声发射产生,声发射密集区表现为由小部分能量率很大的声发射和数量较多、低能量释放率的声发射组成。     

基于强度折减动力分析法的围岩稳定性研究

为获得隧道爆破开挖后围岩的稳定性及临界失稳破坏形态,文章以兴泉铁路金井隧道为工程依托,采用强度折减动力分析法原理,结合特征点位移是否突变、塑性区是否贯通、计算是否收敛这三种动力失稳判据,对隧道掌子面围岩进行动力安全系数分析,研究在不同开挖方法、不同开挖进尺、不同围岩等级下爆破对隧道整体安全系数的影响。研究结果表明:全断面爆破开挖的安全系数约为上下台阶开挖的0.96倍;开挖进尺越小,整体安全系数越大;围岩等级越高,爆破开挖下隧道掌子面围岩的稳定性越好;隧道爆破后毛洞安全系数均大于1.30。为了使隧道爆破开挖后围岩更加安全稳定,可以选取上下台阶爆破方法和减小开挖进尺的手段。