圆形地下洞室开挖围岩扰动区及塑性区范围的确定及讨论

地下洞室的开挖将会导致围岩应力重分布,在洞室周围产生扰动区,扰动区包括塑性变形区和弹性变形区。分析了开挖卸荷后围岩应力状态的变化,并利用弹塑性力学原理,探讨了地下洞室开挖导致的局部应力集中对应力重分布的影响规律;在此基础上,利用塑性区单元体应力平衡方程和摩尔—库伦准则建立了塑性区半径计算公式,可用来确定圆形洞室开挖扰动岩体临界破坏深度。     

基于Hoek-Brown准则的小净距隧道节理围岩稳定性研究

结合重庆东水门长江大桥和千厮门嘉陵江大桥渝中区连接隧道小净距段施工,采用Hoek-Brown 强度准则估算出节理岩体的力学参数,建立基于Hoek-Brown 强度准则的有限元分析模型,对隧道施工过程中节理围岩的位移、应力和塑形区特征进行研究,获得隧道施工过程中围岩位移变形较大点以及应力集中区域,并提出监控量测和加强支护的范围。     

开挖卸荷扰动下深埋地下厂房围岩稳定性数值分析研究

猴子岩水电站地下厂房位置地处深山峡谷区,区域地质构造背景较为复杂,并且具有地应力值相对较高,洞室跨度大、边墙高,洞室埋深大等特点。地应力最大值有36 MPa,最大垂直埋深可达660 m。因此,在开挖过程中,岩体卸荷对洞室围岩的稳定性影响较大。选择典型剖面,运用快速拉格朗日差分法(FLAC3D)对地下洞室的分层开挖支护过程进行了数值模拟,对模拟结果进行分析,包括围岩变形场、应力场和塑性区的分布规律,并将模拟结果与现场内观监测资料和微震监测资料进行对比分析。分析表明,围岩变形与内观监测结果较为吻合,同时在围岩应力发生集中的部位,微震事件发生区域性聚集。因此,可以通过数值模拟来预测后续开挖中的围岩变形,为开挖支护施工提供指导。     

顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道安全系数研究

目前,大多数岩溶隧道围岩稳定性研究是基于Mohr-Coloumb线性破坏准则进行的,而Mohr-Coloumb破坏准则并不能较好地体现岩体的非线性破坏特征。文中利用有限差分软件FLAC~(3D)模拟岩溶地区深埋隧道的开挖过程,调用Hoek-Brown本构模型,得到Hoek-Brown非线性破坏准则作用下岩溶隧道围岩安全系数的数值解,并对不同参数作用下围岩安全系数的变化规律进行分析。结果表明,顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道围岩安全系数随隧道支护力、围岩抗压强度、地质强度指标GSI及m_i的增大而增大,随溶腔压力的增大而减小。     

弱节理小净距隧道合理净距及围岩稳定性研究

为了研究弱节理小净距隧道的合理净距及围岩的稳定性,以大荒沟小净距隧道工程为研究背景,基于量化GSI围岩评级系统,确定了弱节理隧道围岩力学参数;基于Hoek-Brown强度准则的应变软化模型,采用FLAC~(3D)软件模拟得到0.9B～1.7B净距条件下隧道中夹岩柱塑性区分布,分析了中夹岩柱的稳定性,确定了弱节理小净距隧道的最小合理净距。通过理论方法计算了小净距隧道围岩压力,进行支护结构设计。通过FLAC~(3D)软件分别对支护条件下小净距隧道采用二台阶法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、CD法、CRD法、环形开挖预留核心土法进行数值模拟,分析不同工况下围岩拱顶位移及水平位移的分布特征,选择合理的施工方法,优化隧道开挖支护方案。研究结果表明:采用FLAC~(3D)数值模拟得到不同净距条件下中夹岩柱塑性区分布情况,能够确定隧道最小合理净距;采用FLAC~(3D)数值模拟分析不同开挖工况条件下围岩的变形规律,确定了环形开挖法为理想的施工方法;通过现场监测分析可知,选择1.5B净距及环形开挖预留核心土法施工较为合理,锚喷支护与中夹岩柱长锚杆共同作用,能对约束小净距隧道双洞开挖后中夹岩柱松动圈的发展起到重要作用。     

尺寸效应对节理化岩体硐室开挖稳定性的影响分析

为了研究不同开挖尺寸和围岩节理组倾角对隧道开挖变形稳定的影响,应用UDEC程序,通过一些假设,设定计算域内包含有水平垂直节理组(0°-90°)和倾斜节理组(45°-135°)2种计算情况,对硐室不同开挖尺寸下围岩的变形稳定情况进行数值模拟。结果表明:1)水平垂直节理组岩体中围岩变形随硐室开挖尺寸增大先缓慢增加,后呈指数形式急剧增加且失稳,围岩失稳表现为贯穿地表的拱部上方岩体整体塌落;2)倾斜节理组岩体中围岩变形随硐室开挖尺寸增大先缓慢增加,后急剧增大且失稳,围岩失稳表现为拱部围岩局部塌落;3)倾斜节理组岩体中硐室开挖后变形比相应水平垂直节理组的要大。     

西南某水电站地下厂房开挖方案优选研究

以西南某水电站地下厂房工程为依托，采用动态规划原理，取围岩的等效应变值作为动态规划中的收益函数，对地下洞室群的开挖方案优选进行了研究，运用三维非线性数值计算方法模拟地下洞室群在不同开挖方案下的分步开挖过程，随着搜索优化过程的逐步进行，得出了全局最优解，即洞室群顺序施工的最优开挖方案。研究结果表明:采用动态规划原理得出的最优顺序施工开挖方案是最优方案。     

超大跨度扁平地下洞室变形控制标准研究

为解决目前超大跨度扁平地下洞室(跨度大于50 m)变形控制尚无明确规范的问题，基于某工程实例，采用理论解析与数值模拟相结合的方法，对大跨洞室变形控制标准进行研究。以围岩应变作为岩体强度指标评判大跨洞室稳定性，建立洞室拱顶沉降量S与围岩极限应变ε的关系，并提出以“沉降跨度比”作为大跨洞室沉降变形控制指标，给出适用于各施工阶段的变形控制标准，并建立变形控制标准分级管理办法。研究结果表明：1）大跨洞室沉降变形允许值与洞室几何形状、围岩强度特性相关；2）结合本工程大跨洞室“分部开挖-预留岩柱”的开挖方案，洞室变形主要发生在大跨洞室阶段。     

基于Hoek-Brown准则的强度等效方法对比及应用研究

为准确评价围岩稳定性,通常利用FLAC3D中的遍布节理模型,并采用Mohr-Coulomb强度准则开展模拟计算,但由于其本质上是将层状岩体视为各向同性,因此模拟结果与现场监测值相比误差较大。基于修正的Hoek-Brown准则,将其在■平面与Mohr-Coulomb强度准则分别进行瞬时等效、最佳一次逼近,推导出相应的等效强度公式。利用该公式计算得到不同倾角岩体的等效强度参数,并导入FLAC3D遍布节理模型,研究渝湘高速共和隧道段围岩稳定性。结果表明:1)采用2种方法对岩体参数进行修正,隧道开挖后关键点变形均大于修正前,更接近实测值; 2)瞬时等效修正所得偏应力σ_1-σ_3值小于修正前,而最佳一次逼近修正所得σ_1-σ_3值始终大于修正前,且随倾角变化趋势与修正前相同; 3)2种修正法均可用于岩体参数修正,经过对比分析认为最佳一次逼近修正效果更佳。     

基于Hoek-Brown准则的隧道围岩改进单元安全度分析

为了建立基于应变软化Hoek-Brown强度准则的围岩安全性评价方法,首先推导了Hoek-Brown准则与Mohr-Coulomb准则之间的关系,求得等效内摩擦角和黏聚力。其次将屈服接近度和破坏接近度进行变换统一到单元安全度量体系,进而总结了由Hoek-Brown应变软化参数表征的改进单元安全度（Zone Safety Index,ZSI）公式,实现了对单元的弹性、屈服和破坏状态的表达,并基于FLAC3D中FISH语言进行二次开发,编译了ZSI计算程序。随后,通过FLAC3D软件建立三维隧道模型,对该方法进行验证,并研究了Hoek-Brown准则参数对ZSI的影响规律。最后针对甄峰岭隧道大变形段的锚杆加固效果进行研究,利用ZSI法对大变形段不同长度锚杆加固方案进行安全稳定性对比分析,确定了较为合理的加固支护措施。研究结果表明：①ZSI小于1的区域与MIDAS的有效塑性应变区域基本一致,验证了ZSI程序的正确性,且ZSI可对岩体的弹性、屈服、破坏区域进行量化评价。②ZSI随地质强度指标GSI增加而增大,采用三次多项式进行拟合精度较高;随着单轴抗压强度σ_ci增大,ZSI呈指数方程增加,具有较高的相关性,扰动越大,单元安全度越小,表征围岩稳定性越差,ZSI随扰动因数D呈双曲线递减趋势变化;③ZSI法能够作为隧道初期支护方案优化和安全性评价的参考指标,对相关隧道的优化结果显示,3 m长注浆锚杆,同时加强其他支护结构能有效控制事故区的大变形,且安全性较好。     

基于数值模拟隧道仰拱开挖对初期支护的影响分析

在山岭隧道施工过程中,施作仰拱虽能很好地控制洞室位移,抑制底鼓现象发生,但隧道仰拱的开挖一般都在初期支护基本稳定之后,其开挖会使上部支护结构底角短暂悬空,底角应力释放,从而引起开挖段洞周位移的急剧增加。通过对阎家庄隧道开挖过程的实时监测,分析仰拱开挖前后拱顶下沉和净空收敛的变形量和变形速度,结合ANSYS有限元软件,分析隧道开挖前后初期支护内力的变化。仰拱的施作能使围岩内力分布更加均匀,避免应力集中,但隧道仰拱开挖引起的洞室围岩的变形约占总变形量的25%,需引起施工注意。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩破坏影响因素分析与施工技术研究

通过对锦屏一级水电站地下厂房的工程地质条件、布置与结构设计、工程监测资料的汇总分析,针对围岩破坏与地应力、强度应力比、地质结构面、洞室布置与结构的相关关系分析,重点分析围岩破损与施工开挖程序、分层、爆破、支护结构与支护时机选择的相关关系,认为在高地应力条件施工中创新采用的应力有限释放控制技术(含不同围岩的个性化爆破设计、动态确定岩壁吊车梁浇筑时间、大型地下洞室群交岔口施工技术、圆筒形建筑螺旋形立体开挖支护施工技术)对围岩变形破坏控制起到了重要的作用。根据前人相关研究成果,参考和引用了理论、原理、计算分析方法、试验方法和相关数据,结合本工程的实际情况,对施工技术进行研究,解决工程施工的实际问题,指导工程施工,也为类似工程研究与实施提供参考。     

荒沟抽水蓄能电站地下厂房开挖过程微震活动特征与围岩稳定性研究

牡丹江荒沟抽水蓄能电站地下厂房具有典型的“大跨度、高边墙、多洞室交叉”的工程结构特点，在陡倾结构面、中等地应力等复杂地质条件和强卸荷开挖的影响下，洞室围岩片帮、掉块等局部稳定性问题突出。针对此问题，构建荒沟抽水蓄能电站地下厂房微震监测系统，对地下厂房开挖卸荷过程进行实时监测，揭示围岩内部岩石微破裂的萌生演化过程及其对围岩稳定性的影响。结果表明： 1）开挖卸荷的强施工扰动引起的围岩高能量释放，导致主厂房上游边墙围岩内的断层破碎带局部损伤加剧，诱发大量微震事件； 2)微震事件在主厂房上游侧拱肩区域沿断层走向呈条带状分布,且在厂房下游侧边墙与3#支洞交汇的洞室结构薄弱部位聚集； 3）识别主厂房上游边墙桩号厂左0+20 m至厂左0+80 m段是围岩潜在失稳区域。     

非对称建筑荷载作用下小净距隧道施工模拟分析

在非对称建筑荷载作用下,采用CRD法和预留核心土弧形导坑法两种施工开挖方案,对小净距隧道的施工过程进行了数值模拟研究.对两种施工方案的洞室周边竖向变形、地中围岩变形和洞室周边的围岩应力进行了对比分析,揭示了非对称建筑荷载作用下两种方案的洞室周边竖向变形规律和变形规律的相似性,获得了地中围岩变形的变化规律,对信息化反馈施工,指出了必须重点监控与关注的位置.     

广义Hoek-Brown准则参数对岩体强度影响的敏感性分析

Hoek-Brown准则具有直观快捷判别岩体强度、考虑非线性破坏及解释低应力、拉应力区及最小主应力对强度的影响等优点,因而在岩体工程中得到了广泛的应用.但Hoek-Brown准则参数的选取受观察判断者的主观因素影响较大,从而引起与工程实际不符甚至错误.基于此,该文以辽宁省福胜屯隧道为例,对Hoek-Brown准则参数对岩体强度指标的影响进行敏感性分析,得出Hoek-Brown准则中参数mi、GSI、D、σci对岩体强度指标c、φ、抗拉强度、抗压强度及弹性模量的影响规律,以期能为在岩体工程中有的放矢地对Hoek-Brown准则参数进行细部量化提供一定的技术指导.     

将军山隧道节理特征对围岩稳定性的影响及锚杆支护机理研究

节理岩体隧道破坏与节理属性密切相关。文中依托将军山大跨隧道,分析节理特征对隧道围岩稳定性的影响,阐述节理岩体隧道围岩失稳机理和锚杆支护机理,提出节理岩体隧道锚杆支护设计建议。结果表明,块体塌落区分布在两组节理与隧道相切形成的三角区,为围岩失稳关键区域;节理张开区、剪切滑移区由拱腰延伸到拱脚、拱肩,向围岩深部发展,呈蝶形分布,为围岩失稳潜在区域;节理岩体失稳机理为开挖应力平衡打破—应力降低区出现—节理面剪切滑移—节理面张开—块体塌落;节理岩体锚杆作用机制为对节理面施加法向应力以增加节理面摩擦阻力、锚杆轴力提供抗滑力、锚杆抗剪能力限制节理面相互错动。     

城市超浅埋平顶大跨断面软岩洞室施工数值分析

针对天津市营口道地铁车站暗挖超浅埋平顶大跨大断面风道洞室项目,运用大型有限元数值计算软件（ANSYS）模拟计算大断面洞室分部开挖方式,进行非线性力学特性分析,结合施工方法和监测资料对比,对施工方法最优化设计,确保洞室围岩在开挖过程中处于最佳稳定状态。     

散体围岩隧道开挖施工中超前小导管注浆的作用分析

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、拱顶坍塌等病害,必须进行超前支护。本文以某某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FLAC3D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。     

开挖跨度对隧道围岩稳定性影响研究

通过建立有限元、离散元两种数值力学模型,开展开挖跨度对隧道围岩稳定性的影响规律研究。结果表明:在不考虑洞室形状影响的前提下,当围岩按连续介质假设,且开挖后仍处于弹性应力状态时,单纯增加隧道开挖跨度对围岩应力状态影响不大;但若开挖后进入弹塑性应力状态,则单纯加大开挖跨度会导致塑性区半径大幅度增加,影响围岩稳定。当围岩按非连续介质假定时,岩体失稳主要呈现节理面间剪切滑移。开挖跨度增大相当于隧道跨度与岩块的相对尺度增大,隧道关键块体失稳概率加大,对于相同产状节理岩体,关键块体出现部位相同;另一方面,跨度增大引起在隧道开挖的应力扰动区内遭遇节理的组数增加,组数越多,岩体越破碎,失稳概率越大,且失稳模式各有不同,增加了支护难度。     

基于有限差分法软弱围岩偏压隧道动态开挖数值分析

本文结合具体工程,运用有限差分法计算软件FLAC建立了隧道计算模型,采用非线性弹塑性方法及Mohr-Coulomb屈服准则,对软弱围岩偏压连拱隧道的开挖施工方案进行了数值仿真研究,得到了隧道断面各个开挖阶段围岩、地表以及隧道初衬的应力、应变变化规律,从而达到验证支护条件和开挖方案合理性的目的,同时研究结果可以为软岩偏压条件下的隧道设计、施工提供有意义的参考。