深埋硬岩隧洞岩爆风险与结构面倾角关系探讨∗

针对深埋硬岩隧洞即时性应变-结构面滑移型岩爆预测预警问题。以埋深 2 375 m 的某深部地下实验室 7#、 8#实验室发生的一次极强岩爆作为现场测试对象,基于钻孔摄像技术实现隧洞围岩内结构面展布可视化,通过岩爆诱发洞段与安全通过洞段围岩内结构面展布差异的对比分析、围岩弹性应变能分布特征分析与岩爆统计规律分析,对岩爆孕育中结构面的控制作用进行了深入的探讨。研究结果表明,深埋硬岩隧洞边墙与围岩内发育的结构面平行或是小角度(小于 30°)相交时具有更高的即时性应变-结构面滑移型岩爆风险。7#、8#实验室钻孔摄像结果显示,岩爆诱发洞段围岩内结构面近乎平行于边墙发育,3 处安全通过洞段围岩内结构面与隧洞边墙均为大角度 (大于 30°)相交。围岩内不同的结构面展布形态为岩爆孕育提供了不同的能量累积环境,当围岩内结构面平行于边墙或是小角度相交于边墙时 ,结构面的存在将有利于岩爆孕育 。 所有发生于锦屏二级水电站排水洞 SK8+200~8+800 洞段的岩爆统计数据表明,隧洞边墙与围岩内结构面相交夹角较小(小于 30°)的区域具有更高的即时性应变-结构面滑移型岩爆风险,这与 7#、8#实验室现场测试及数值模拟结果相吻合。     

基于ABAQUS的岩爆形成机理研究

本文对岩爆进行了分类,从建立岩石材料的损伤本构模型出发,结合断裂力学的有关概念给出了岩石破坏发生的判别准则,从而系统地解释了岩爆的形成机制.结合圆形洞室围岩应力分布,对具体的工程实例运用ABAQUS进行数值模拟,分析了发生岩爆的地下洞室围岩的应力状态及相应的灾变位置.     

基于修正RMR法的深部岩体工程围岩质量评价研究

深部岩体工程具有典型的高地应力、高地温和高孔隙水压等特点,传统的RMR法对评价其围岩质量存在不足之处。通过考虑高压地下水和高地温对岩体力学性质的影响分别引入地下水和地温弱化系数,结合连续性细化方法对传统的RMR法中的岩石单轴抗压强度、岩石质量指标和节理间距等三个评价指标的评分标准进行了修正,获得了三个评价指标值与其对应分值之间的非线性连续回归方程。然后,根据岩体中地应力的大小及岩石强度特征定义了岩体损伤破坏危险度系数,建立了该系数与岩体质量评分修正值之间的对应关系。由此获得了比较符合深部岩体工程围岩质量评价实际的修正RMR法,并用实例表明了其评价结果的合理有效性。     

考虑岩体各向异性强度的隧洞围岩稳定性分析

岩体中普遍存在着大量的节理裂隙等不连续面,这些不连续面对岩体的强度有着重要的影响。以具有较密集成组节理的岩体为研究对象,以Drucker-Prager准则和裂隙应力张开准则为基础,分别考虑岩块和节理面各自的物理力学性质,研究岩体在各向异性强度准则下的理论方法,并建立了岩体各向异性本构模型,用以描述节理岩体在强度方面的各向异性及其破坏特征。将该模型用于隧洞围岩稳定性分析工程中,研究表明,该模型可以较好地解释节理岩体围岩的破坏特征,与工程实践相符。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及深埋地下工程的设计与施工具有重要的指导意义。     

跨断层隧道施工应力路径识别与扰动分析∗

跨断层隧道围岩性质会发生突变,给隧道施工扰动分析和安全预测带来了挑战。准确识别跨断层隧道在不同围岩条件下施工诱发的应力路径并开展基于应力路径的扰动分析,具有重要的科学价值和工程实践意义。因此,构建了基于围岩应力路径的隧道开挖扰动分析方法,通过三维数值分析识别了跨断层隧道施工诱发的典型应力路径并进行了扰动分析,总结了跨断层隧道施工扰动时空规律。结合围岩的强度准则和应力路径,用扰动系数描述扰动后围岩应力状态接近破坏的程度。随着扰动系数的增大,围岩应力状态逐渐接近破坏准则,当扰动系数等于 1 时,围岩发生破坏。跨断层隧道在上下盘围岩区的扰动系数始终小于 1,处于弹性状态;而断层破碎区因围岩性质差,其开挖扰动系数达到 1,进入塑性和破坏状态。离洞壁越远,施工扰动越小,扰动系数亦越小。支护后,断层破碎区和上下盘硬岩区的扰动系数均出现减小趋势,围岩趋于稳定,表明了支护的有效性。     

基于岩体质量指标Q分类系统的风险分析方法

基于岩体质量指标Q分类系统,应用Monte-Carlo模拟技术,研究了岩体质量风险分析方法。该方法视Q分类系统中各单因素取值为随机变量,建立了各单因素取值概率模型;通过对所建模型的抽样计算,可获取所评价岩体实际Q值小于设计所采用Q值的概率;通过对比分析Q值累计曲线和岩体质量分布图,可得到任意Q值对应的风险概率,查清岩体中可能出现的质量等级以及每个质量等级所占百分比的情况。本文研究成果已在青岛胶州湾海底隧道工程中得到应用,并获得良好效果。     

西南某水电站岩体质量分级研究

介绍了水利水电工程地质分类、RM R分类和Q系统分类等3种分级法的具体使用和评价标准,并以西南某水电站为例,将这3种分类方法对其坝区围岩分类的结果进行了对比和相关性分析,得出了该水电站围岩合理、科学的评价分类结果。依据此评价结果,绘出了坝区岩体质量分级图,准确显示了坝区的岩体质量特征,证实了3种分级法在该类岩体分级的适用性和统一性。在充分调查和资料掌握的基础上,对岩体工程地质分类在实际工程中的应用提出了具体的指标和实际的操作法。     

基于离散元法的爆破荷载作用下深埋隧道失稳破坏模拟研究

为了研究爆破扰动对深部隧道工程的影响,借助颗粒流程序PFC,开展爆破荷载作用下深埋隧道失稳破坏的数值模拟,分析了不同埋深隧道围岩的损伤演化过程和相同埋深隧道围岩颗粒位移与应力随时间的变化规律。研究结果表明:在距离隧道一定高度的顶面施加爆破荷载,随着埋深的增加,围岩损伤程度越严重,损伤集中于隧道的两帮,并逐渐由隧道右侧向顶板发展;隧道的失稳破坏是由爆破荷载和地应力共同造成的,爆破荷载主要使隧道围岩产生裂隙,而在高地应力的持续作用下,可能引起岩块的剥离和弹射;隧道两帮的竖向压应力大于岩体抗压强度是隧道围岩破裂的主要机制。研究成果为深埋隧道支护技术和灾害预报研究提供了依据。     

长大隧道岩爆灾害研究进展

岩爆是长大隧道施工中发生频率较高的突发性地质灾害;岩爆研究对于隧道的勘测设计、施工组织及安全生产具有重要的现实意义.岩爆机理研究是岩爆预测及控制技术发展的基础;由于现有理论的不完善,以之为基础的预报体系及控制技术还不能对岩爆灾害进行准确预报和有效控制.岩石静力学理论在岩爆研究中是重要的,但它还不能阐明岩爆的全部机理.钻爆法开挖过程中,各炮层的顺序起爆、周边眼起爆后开挖轮廓面的瞬时大幅卸载及岩爆事件本身所产生的各类高幅值、陡波前应力波以及它们的叠加效应对于围岩,尤其是处于双向受压、一侧临空、具有发生破坏潜势的既有炮次围岩的扰动作用应该是显著的.围岩也许不会在上述动荷载的一次作用下就发生宏观破坏,但这些应力波的多次扰动,却会在微观-细观尺度上引起围岩累积性损伤的加剧与局部应力环境的恶化,并最终导致裂纹的大规模瞬时动力扩展,伴随晶间、粒间瞬态应变能的高速释放,围岩便会以岩爆的形式失稳.因此,系统进行岩爆灾害的岩石动力学机理研究是必要的.     

黑石岭隧道围岩岩爆灾害的研究

地应力环境与围岩力学属性是隧道工程中引发岩爆的两大决定性因素。为了研究黑石岭隧道开挖过程中围岩岩爆灾害的潜在威胁及其表现规律,通过对岩爆里程段的现场采样、运用Kaiser效应法测量原岩应力和室内岩石力学实验,探讨了工程区内白云岩的岩性特征及其破坏规律,并基于强度理论和冲击能指标分析了发生岩爆的可能性及其发生方式。分析得知,该工程区内岩爆的潜在威胁较大,尤其是测点1和测点2处发生强岩爆的可能性最大,须在工程开挖过程中加强防治。     

基于非线性屈服准则及主应力判据的圆形巷道围岩岩爆过程的数值模拟

鉴于考虑拉伸截断的线性莫尔-库仑屈服准则不能考虑岩石在高应力条件下的非线性屈服特征,根据虎克-布朗本构模型,将上述屈服准则在受压区的线性屈服函数修改为非线性形式。采用3种岩爆的主应力判据,判别圆形巷道开挖之后围岩中各种级别岩爆的分布及演变规律。计算采用"先加载,后挖洞"的方式,岩石服从弹—脆—塑性本构模型。研究发现,发生高级别岩爆的单元数少于发生低级别岩爆的单元数;轻微岩爆区的形态更接近于塑性区及剪切应变增量的高值区。根据巴顿判据,发生重岩爆的单元数较多,而且主要发生的是拉伸岩爆;根据陶振宇判据,发生轻微及中等岩爆的单元数均多于根据谷明成-陶振宇判据判别的结果。上述两种判据判别的结果均表明,在不考虑拉伸岩爆的条件下,只有位于围岩内部的单元才有可能发生高级别的岩爆,而位于巷道表面的单元一般仅发生轻微岩爆。     

高速公路连拱隧道开挖三维稳定性分析

通过对金丽温高速公路湾连拱隧道工程区的地质特征的详细分析和现场调查,系统研究了湾隧道开挖及加固全过程的围岩应力场、变形场的状况及变化特征。结果表明,湾连拱隧道围岩应变率较高,围岩衬砌后的位移值比未衬砌时减小了50%,采用目前的衬砌类型后,衬砌变形将较大幅度地变小,衬砌应变值基本满足要求;虽然围岩拉应力值随着隧道的开挖逐渐变大,除局部位置外,衬砌整体基本满足抗拉的要求。     

不同强度岩石中开挖圆形巷道的局部化过程模拟

利用FLAC模拟了不同粘聚力条件下圆形巷道的局部化过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的F ISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。文中模拟分为3步:首先,将静水压力施加在模型上,直到达到静力平衡状态;然后,利用编写的F ISH函数开挖巷道;最后,计算重新开始,直到达到静力平衡状态或者塑性流动状态。模拟结果表明,随着粘聚力的降低,巷道围岩的破坏模式首先由孔壁附近零星单元的破坏向4个对称的小V形坑式剪切破坏转变,然后由包含若干小V形坑的大V形坑式剪切破坏向巷道全断面的破坏转变。前三者破坏发生后,巷道围岩仍然能保持稳定。与最大塑性拉伸应变相比,最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变要高得多;最大剪切应变增量、最大塑性剪切应变相差不大;随着粘聚力的增加,三者均越来越小。     

大寒岭倒转背斜复杂煤层结构冲击地压研究

受大寒岭倒转背斜的影响,大安山煤矿14槽煤后槽形成了极为复杂的煤层结构,其轴部及附近和两翼形成的急倾斜煤层是高应力区,具有冲击倾向性。首先用ANSYS有限元软件建立了包括复杂煤层结构在内的矿山模型,利用单元生死技术模拟轴部及右翼开挖;在此基础上,分析了采场围岩的应力场和位移场,圈定了冲击地压发生的危险区域,分析了冲击地压发生的机理;预测了14槽煤后槽开采的冲击倾向性,并指出在实际开采时,必须采取防冲措施,为避免冲击地压事故的发生提供了技术支持,具有一定的参考价值。     

能源隧道热响应试验数值分析与适用性评价

以能源桩和能源隧道为代表的能源地下结构是一类节能环保的地下结构形式,能源隧道的理论研究与实际应用还处于起步阶段,相关测试与设计方法还不够成熟。以新八达岭长城站能源隧道试验段为研究背景,利用COMSOL软件对能源隧道热响应试验进行了数值分析与适用性评价,对TPT测试工况进行了数值模拟,经验证与现场实测结果吻合较好;对线热源传热模型用于能源隧道TRT试验的适用条件与方法做了初步探索,利用相对热效率的概念对模拟结果进行了分析。结果表明,线热源传热模型不能直接用于分析能源隧道TRT试验结果,但是T_fln(t)曲线的斜率与模型输入的围岩导热系数线性相关,可定义相对热效率来反映围岩导热系数对隧道埋管换热器换热能力的影响。     

含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性

以某隧道为背景,通过地质条件分析并结合FLAC3D数值模拟手段,采用对比含有厚层软弱夹层和不含软弱夹层的2个不同模型的方法,从地应力变化、塑性区开展、变形、下覆岩体受压和位移等角度分析了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏特性。发现对于含厚层软弱夹层和不含软弱夹层的这2个不同模型,地应力的差别较小,但都为不含节理的岩体的0.5倍或更小,因此认为节理是影响含厚层软弱夹层硬质围岩变性破坏的因素之一;而2个模型在塑性区开展、变形量、下覆岩体受压和位移等方面差别较大,因此认为厚层软弱夹层对硬质围岩的变形破坏起着显著作用。同时通过创建三维模型采用分步开挖的方法,模拟了含厚层软弱夹层硬质围岩的变形破坏过程,分析认为其具有隐蔽性和发生时间不确定性的特点。研究结果可为类似地质情况的隧道建设提供参考。     

模糊聚类在不良地质洞段红外探水中的应用

在玉昆铁路柿花树隧道不良地质发育的洞段进行红外探水工作期间,常用的分析方法有时无法预判掌子面前方是否存在隐伏水体或含水构造。为了提高红外探水短距离预报的准确率,用模糊聚类法将掌子面测点场强的数据分类,根据开挖传递的地质信息,研究模糊聚类结果的变化规律、突水风险与岩体破碎程度之间的关系。实践证明,模糊聚类法和常用分析方法的结合,使红外探水取得了较好的预判效果。     

基于动-静应力耦合的深埋隧道岩爆灾害控制

岩爆灾害严重威胁着施工人员及设备的安全,影响施工进度,已经成为硬岩隧道勘测设计及施工组织中必须考虑的重要问题之一.到目前为止,岩爆控制领域已取得了若干重要进展,但这些进展主要是建立在岩石静力学理论基础之上的,据此提出的大部分措施的控制效果还不甚理想,与从根本上控制岩爆还有较大距离.完整硬脆性岩体、较高地应力和一次或多次动力干扰应该是岩爆发生的3个必要条件,岩爆控制应综合考虑动-静应力的耦合效应.基于动-静应力耦合的岩爆控制已经引起部分学者的关注并已取得一定进展,但还缺乏深入研究.开展基于动-静应力耦合的深埋长大隧洞岩爆灾害控制研究具有重要的理论意义和实用价值.     

油页岩地下开采巷道围岩的流变特性及工程应用

为研究油页岩巷道围岩的流变特性,采用岩土SJ-1B三轴蠕变仪对油页岩进行了三轴蠕变试验。根据试验结果,建立了油页岩非线性蠕变方程。根据上述非线性蠕变方程,以吉林桦甸油页岩矿一井运输大巷为工程背景,分析了围岩的应力场和位移场,并对不同支护强度和应力状态下的蠕变变形进行了系统的分析。研究结果表明,油页岩蠕变具有非线性,控制油页岩巷道围岩过量变形的根本途径是改变围岩的应力状态,以及适当提高锚杆、锚索的初始预应力。本文为有效控制油页岩开采时巷道围岩的有害变形提供了理论依据。