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。     

圆形巷道围岩的环向应力及发生岩爆单元分布的数值模拟

利用FLAC模拟了不同水平方向压力(小于竖直方向压力)及岩石峰后不同脆性条件下的圆形巷道破坏过程.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.监测了模型中第1象限对角线上的单元环向应力分布及演化规律.根据徐林生和王兰生提出的环向应力岩爆判据,判断模型中各单元是否发生岩爆.模拟结果...     

大型地下厂房围岩三维粘弹塑性数值模拟

目前,地下工程围岩尤其是大型岩石地下工程围岩的粘弹塑性分析研究少见报道。针对这种情况,本文根据西原粘弹塑性流变模型相关理论开发了hhu-vp流变计算软件,以用于大型岩石地下工程围岩粘弹塑性流变数值模拟分析;并以一简单算例与软件FLAC-3D比较,结果偏差在容许范围内。将其应用于水布垭大型地下洞室围岩流变研究中,对该地下洞室的施工开挖及支护处理过程进行了模拟,提出了支护处理意见,并对其运营期的长期稳定性作出了评价。     

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.     

高地应力条件下Q系统在某勘探洞围岩分类中的应用

西南地区某水电站勘探洞高地应力是一个突出问题,高地应力洞段岩体属于坚硬岩或较坚硬岩,主要破坏方式是岩爆。高地应力区非岩爆岩体中未见结构性流变和软岩塑性流动等变形破坏现象,岩体质量较好。通过对岩体质量分类Q系统在该勘探洞高地应力洞段的应用,发现Q系统对于高地应力区非岩爆段岩体没有给出相应的SRF值;岩爆的发育条件是多方面的,但Q系统对岩爆的发育条件考虑较单一,所以它在高地应力区岩爆段的分类结果不能准确地体现出岩爆的等级和围岩类别。基于这2个问题,本文对Q系统做了相应的修改,以适应该勘探洞围岩分类,从修改后Q系统的分类结果看,效果良好。     

不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩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。模拟结果表明:当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了"狗耳"形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。     

某地下洞室开挖围岩稳定性数值模拟分析

结合某电站的工程建设实际，在场区地勘资料分析的基础上，深入分析了工程区的地质力学环境条件，建立了能够反映工程区地貌、岩体结构和地应力环境条件的力学模型。以地应力实测结果为参照依据，采用线性有限元法反演分析了初始地应力场，采用非线性有限元方法模拟了地下厂房等主要洞室开挖施工与支护过程中的围岩应力和稳定性状况，论证了地下洞室开挖方案的可行性，揭示了大型地下洞室不同开挖阶段应力的集中部位和围岩的潜在破坏部位。     

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。     

弹性模量依赖围压的圆形洞室围岩破坏行为数值模拟

在考虑拉伸截断及非线性屈服准则的自定义本构模型中,又考虑了弹性模量(弹模)受围压的影响,模拟了两种网格、不同本构模型及加载方式条件下的洞室围岩的破坏行为。在第1种网格中,洞室围岩被剖分为辐射网格,采用"先挖洞,后加载"的方式及理想弹-塑性本构模型进行计算;在第2种网格中,洞室围岩被剖分为矩形网格,采用"先加载,后挖洞"的方式及弹-脆-塑性本构模型进行计算。计算结果表明,对于第1种网格,随着弹模的围压影响系数的增加,洞室围岩的应变、位移及塑性区半径均有所减小,被监测单元的环向应力的峰值有所降低,不同本构模型的计算结果的差别逐渐显现。对于第2种网格,当弹模的围压影响系数较低时,围岩中形成了4个对称的V形坑,随着弹模的围压影响系数的增加,V形坑的个数及尺寸明显减少,这可由洞室围岩的应力、位移及剪切应变增量均有所减小得到解释。     

动荷载作用下地下岩体洞室应力特征的影响因素分析

用FLAC3D初步分析了动荷载作用下埋深、洞室形状、地应力特征对地下岩体洞室应力特征的影响。分析结果表明:动荷载下,随着埋深的增加,各种洞型应力量值有明显的减小趋势;地应力状态对地形洞室的应力响应有较明显的影响,在自重地应力为主的情况下,洞室拱顶、拱底地最小主应力处于拉应力状态,而构造地应力为主的情况下,洞室拱顶、拱底最小主应力处于压应力状态,且随着侧压系数的增加,洞室的应力由较明显的减小趋势;动荷载作用下,不同断面形状的洞型应力响应有一定区别,圆形洞室应力响应最小,矩形洞室应力响应最大,随埋深、地应力的增加,洞形对洞室应力响应影响减小,当埋深超过300 m后,洞型对应力的影响变化程度不大。     

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。     

山地旅游景区落石灾害风险评估——以浙江三门县蛇蟠岛景区为例

以浙江省三门县蛇蟠岛景区为研究背景,通过现场勘察与数值分析等手段,全面分析了山地旅游景区落石灾害的影响因素,基于RHRS风险评分方法建立了山地旅游景区落石灾害风险评估体系。研究结果表明：古洞室群围岩的严重扰动、岩石的风化作用、相邻洞室公共墙体的凿去为落石的三个主要影响因素;基于RHRS风险评分方法将落石灾害风险划分为5个等级,并在此基础上建立了山地旅游景区落石灾害风险评估体系;工程实践表明,建立的山地旅游景区落石灾害风险评估体系分析结果可靠,该评价体系可为落石灾害的发生提供预警及治理提供依据。     

考虑刚度劣化的剪切带-围岩系统稳定性分析

峰后的刚度劣化现象(渐进损伤)在多种煤、岩石、混凝土、土和砂子的循环加载实验中已被观察到。本文考虑了剪切带及带外弹性体的不同的刚度劣化现象,推导了剪切带(断层)-弹性围岩系统在直剪条件下的应力—变形曲线。剪切带的刚度劣化不改变剪切带的总变形,但使剪切带的弹性变形增加、塑性变形降低。考虑弹性体的刚度劣化现象之后,系统的峰后应力—变形曲线呈现非线性特征,这不同于过去忽略刚度劣化现象的结果。在应变软化过程中,剪切带之外弹性体的刚度劣化,使系统的峰后响应由负斜率(Ⅰ类行为)变为正斜率(Ⅱ类变形行为)。较高的弹性体尺寸、较高的脆性、较小的内部长度、较低的围岩初始弹性模量、较高的抗剪强度、较低的残余剪切应力及较高的残余剪切弹性模量,使系统的峰后响应变得陡峭,甚至发生Ⅱ类行为,使系统的失稳(岩爆、冲击地压、采矿诱发地震或矿震)易于发生。     

基于梁柱稳定理论的深埋隧洞岩爆破坏及孕育机理研究

深埋隧洞中岩爆轴向位置的确定以及破坏机理的研究是岩爆灾害预测和防治的理论基础。根据深埋长大隧洞围岩的结构、受力以及变形特点,建立了梁柱力学模型。在弹性范围内,运用力法,求解了该一次超静定梁柱的挠曲线方程和转角方程,得出了临界力的解析表达式。以锦屏II级水电站的松动圈实测数据为依据,给出了梁柱模型截面尺寸的确定方法,计算了围岩各部位存在稳定性问题的临界长度值以及达到临界稳定状态的特征长度值。最后,给出了深埋隧洞坑状岩爆的演化模型,分析了掌子面推进过程中,开挖卸荷、动力扰动等对于裂纹的萌生和扩展、围岩结构的形态和稳定性以及岩爆破坏模式的影响。     

基于Midas模型下考虑构造应力场深埋隧道围岩稳定性研究

地应力是存在于地壳中的应力,由岩石形变而引起的介质内部单位面积上的作用力。地应力作为地下构筑物的主要影响因素,在构造应力强烈的地区开挖建设,由于洞壁成为自由表面容易变形,使洞体逐渐缩小或造成坍塌,特别在深埋隧道工程中要考虑其对开挖后围岩的影响,针对性的采取应对措施,保障深埋隧道围岩的长期稳定性。传统方法在面对其复杂的地下环境,均有局限性,适用范围狭窄,笔者通过水压致裂法测定岩层的地应力,结合Midas模型模拟深埋隧道围岩和支护结构,对其受力、变形特点进行分析,探索其分布规律,相互影响,为今后类似工程提供参考借鉴。     

基于范例推理的浏阳河隧道风化槽段坍方风险评估

坍方是隧道常见的突发性风险事件.在对已有坍方隧道实例的原因进行了统计分析,并对主要原因进行了力学解释后,进一步应用范例推理方法评估了浏阳河隧道风化槽地段的坍方风险.结果表明:隧道坍方的主要诱因是围岩破碎和降雨,这与断层破碎带处的围岩力学性能差、降水弱化围岩力学性和降低围岩有效应力等有关.浏阳河隧道风化槽地段的范例推理的坍方和梁家山隧道相近,风险为很有可能发生坍方,建议该地段施工中应注重监测信息的反馈并做好超前地质预报.     

爆破荷载作用下洞室锚杆受力特征实验研究

为研究洞室锚杆在爆破荷载作用下的受力特征,依据Froude比例分析法,建立了加锚洞室的室内地质力学模型。对锚固洞室不同部位锚杆的应变峰值进行分析,同时对同一根锚杆不同部位应变进行比较分析。结果表明,在爆破荷载作用下,对锚固洞室同一工作面上的锚杆,其拱脚部位锚杆应变峰值明显大于其他部位相应处的;而在同一根锚杆中,最大应变峰值出现在杆体的中部位置,靠近洞壁的一端应变最小,围岩内部的一端应变居中。