地下厂房围岩稳定分析若干问题探讨

地下厂房稳定分析首先要确定围岩变形破坏运动类型。本文按照四种岩石力学条件从工程实践中归纳了五种变形破坏运动类型,以便在设计阶段进行初步判断和选择岩体力学模型,并以三峡工程地下厂房为实例,着重研究了块体结构的围岩稳定分析方法。在建立围岩力学模型时,要结合地下洞室的尺寸处理不同规模的不连续面。三个方向的应力对块体稳定性的响影同样重要,在没有条件使用三维有限单元法时,可用全空间赤平投影法与二维有限单元法结合计算。研究结果表明,在设计地下洞室方向时,不仅要考虑初始应力的方位,同时还应考虑软弱结构面的方向。     

大型洞室群稳定性分析与智能动态优化设计的数值仿真研究

 为实现数值仿真计算结果能准确反映大型洞室围岩实际力学行为,结合锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室群稳定性分析,在阐述大型地下洞室群数值仿真计算要点基础上,首先重点从岩体本构模型识别和力学参数识别2个方面详细介绍如何实现数值仿真计算的正确化。采用考虑空间分布协调的多元监测信息的6次岩体力学参数跟踪识别,获得锦屏二级地下厂房岩体的等效力学参数,从而通过参数反分析的方法在一定程度上证明岩体等效力学参数具有相对稳定性和可识别性。同时,结合数值模拟展现出的围岩应力、变形、塑性区等方面计算结果与工程岩体的具体地质条件和洞室群结构特点,论述锦屏二级水电站地下厂房上游高边墙变形较大、下游侧拱围岩与喷混凝土破坏、母线洞环状开裂、交叉洞口局部塌落等洞室围岩的变形与破坏机制。最后,结合锦屏二级地下厂房枢纽洞室群稳定性分析与实践的研究认识,对大型地下洞室修建中诸如结构面密集的高边墙支护问题、围岩应力集中区支护问题、工程区地下水对围岩稳定性影响等问题进行论述,并探讨如何通过数值仿真计算、现场监测与经验丰富的专业人员的有机结合来实现大型地下洞室群稳定性设计的科学化。     

岩体洞室地基洞室两帮失稳的宏观判据

岩体洞室地基是由岩体、地下洞室、地面建筑共同组成的有机整体,是由地下工程与地表工程共同组成的复杂系统。岩体洞室地基系统的稳定应保证基底岩体和洞室围岩均处于稳定状态,其稳定性判据包括"地基稳定性判据"和"洞室围岩稳定性判据"两个方面。其中,"地基稳定性判据"又包括岩体地基极限承载力计算(不考虑地下洞室的影响)和地基沉降计算(考虑地下洞室的影响)两部分,前者侧重于对岩体地基强度失效破坏模式的判别,以基底荷载是否超过极限承载力为判别依据,后者侧重于对岩体地基变形失效破坏模式的判别,以建筑物的变形是否超过允许变形值为判别依据;而洞室围岩稳定性判据则主要以洞室围岩的应力、应变是否超过允许值为判别依据,可采用解析分析法、赤平投影图解分析法、数值模拟法和考虑地应力影响的宏观判据进行判别。其中,洞室两帮可考虑岩体结构特征及所处的地应力环境,根据洞室围岩的岩性及节理分布特征,分为均质洞室、力学性质相近的岩层组中洞室、被节理切割成块体的洞室、具有软弱夹层时洞室等4种情况,来建立围岩失稳破坏的宏观判据。     

浅埋洞室围岩稳定性评价及工程措施的探讨

本文以实际工程为对象,从地质条件出发,运用岩石力学理论,研究了城市中浅埋洞室的应力状态及变形形态,从实践中总结出浅埋洞室围岩整体失稳的判据以及局部失稳的计算方法。文中还讨论了在城市中构筑浅埋洞室时控制施工和增强洞室稳定性的问题。     

结合结构面统计的侧向岩石压力计算方法

岩体抗剪强度取决于结构面分布及其性质,侧向岩石压力的计算常用岩体等效内摩擦角参数,而边坡规范中岩体等效内摩擦角的取值难以反映实际岩体结构面分布及其性质的影响。为确定合理的支挡结构侧向岩石压力值,提出对现场岩体结构面性质包括产状、隙宽、迹长、间距、粗糙度进行统计,进而结合现场结构面统计的蒙特卡洛随机模拟结果和RMR地质评价系统,对岩体结构面进行定量评价。利用评价结果和Hoek-Brown准则拟合得到岩体等效摩尔库伦强度参数,由此计算侧向岩石压力。通过与现有方法进行对比发现,采用本方法得到的岩体等效内摩擦角计算所得的侧向压力更符合实际。     

深埋非对称连拱隧道围岩压力计算方法研究

非对称连拱隧道具有几何与结构形式不对称、开挖跨度大、施工工序繁多、结构受力复杂等力学特性,在进行支护结构设计中通常需要进行荷载–结构模型验算,而其荷载确定尚无成熟的计算方法。在此背景下,考虑了左右两洞室几何与结构形式不对称条件,基于连拱隧道双塌落拱的基本假定,根据普氏理论推导了深埋情况的围岩压力计算公式。将推导公式取对称条件,则可以退化为常规连拱隧道的计算公式,验证了所推导公式的正确性。最后结合工程实例,验证了所推导公式的合理性。研究方法和结论可以为非对称连拱隧道的设计荷载确定提供重要参考。     

岩体赋存的地质力学环境对地下洞室稳定性影响研究

岩体赋存的地质力学环境直接影响地下洞室的稳定性,以西部地区某水电站地下厂房为背景,通过设计不同地质结构、岩体力学参数和初始应力场,采用弹塑性有限元数值计算开展了多种方案组合下的开挖模拟分析,探讨了不同的断层岩脉、岩体力学特性、初始应力场对地下洞室群开挖完成后的位移场、应力场和塑性区的影响,得到了一些有意义的规律和认识,可为地下洞室群的设计与施工提供参考和指导。     

地下洞室群围岩稳定性分析及其结果的可视化

大型地下洞室群的稳定性是地下水电站面临的一个关键问题,三维非线性有限元方法常常用于评价地下洞室群的稳定性。介绍了有限元方法用于评价地下洞室群稳定性的基本方法,包括岩体本构模型的选择、非线性迭代方法、围岩失效准则、围岩稳定性评价指标以及锚杆和锚索等支护结构的模拟方法。为了实现计算结果的可视化,基于面向对象思想开发用于地下洞室群围岩稳定性分析的可视化软件系统。该软件能够方便绘制各物理量的空间等值线和空间矢量图形,并能显示结构变形以及失效破坏区的分布。除此之外,该软件还可以显示包括锚杆和锚索在内的锚固结构的空间图形和应力情况。最后,采用提出的计算方法和开发的可视化软件进行了工程实例分析。结果显示,提出的计算方法是合理有效的,所开发的可视化软件在计算结果的评价方面显示强大的功能。     

基于统计岩体力学的隧道围岩分级方法

国标《工程岩体分级标准》(GB50218—94)在隧道设计阶段应用广泛,但是由于地质条件的复杂性及岩体各向异性的影响,不能精准预测施工阶段隧道围岩等级。本文基于统计岩体力学提出了针对隧道施工阶段的围岩分级方法,即通过现场岩体结构面统计和岩石力学试验,获取结构面参数和岩石力学参数,应用统计岩体力学强度理论及本构理论,获得具有各向异性特征的岩体弹性模量参数E_m,进而应用经验公式换算得到BQ值,从而确定隧道围岩基本分级。在实例中,小盘岭2号隧道GDK347+360里程处围岩设计分级为Ⅲ级;应用此方法重新分级的结果为Ⅳ级,低于设计分级,这与现场观察和监测的围岩性状吻合,说明本方法在隧道施工阶段能较为客观地反映围岩性质。以上研究结果表明,在含碳泥质板岩隧道围岩施工阶段岩体分级过程中,本方法具有良好地适用性。     

大型地下洞室围岩稳定性的岩体结构控制效应研究

大型地下洞室围岩稳定性问题突出表现为大跨度、高边墙的巨大开挖面与岩体结构面组合而产生的围岩块体稳定性问题以及岩体结构对围岩变形破坏的控制和变形量预测问题.本文以三峡水电工程地下厂房为实例,通过大量的现场调查和实验及模拟分析,开展了大型地下洞室围岩稳定性评价中的岩体结构控制效应研究,重点是岩体结构对岩体质量及其宏观力学特性的控制效应.研究中以结构面网络模拟的结果为基础,以模糊信息优化技术、拉格朗日有限差分法、分形几何、损伤力学等技术、方法、理论为手段,初步解决了大型地下洞室的不同具体工程部位岩体质量及其岩体宏观力学参数的评价问题,为工程实践中这类问题的解决探索了一条新途径.论文主要内容包括以下几个方面:博士学位论文(1) 应用系统工程层次性理论,确定地下厂房区岩体结构面的分类原则和描述体系,通过对厂房区岩体结构面的系统调查、分类、统计研究,建立厂房区岩体结构面的确定性层次模型和统计模型.(2) 系统研究厂房区宏观贯通性结构面的工程地质特性及其工程控制效应,确定地下厂房中由控制性结构面和开挖面组合所产生的大型几何可移动块体的空间分布、规模、稳定状态及因素敏感性.(3) 通过对短小、断续性结构面统计特征的研究,将地下厂房区划分为5个岩体结构统计均质区,应用结构面网络模拟技术,研究各个岩体结构均质区结构面的发育分布特征,并以此作为岩体质量及其宏观力学特性研究的基础.(4) 在结构面网络模拟计算结果的基础上,应用模糊信息优化技术研究了厂房区各个岩体结构分区的岩体质量并与岩体基本质量指标[BQ]研究法、岩体质量指标RQD值研究法作了对比,结果表明以结构面网络模拟结果为基础,应用模糊信息优化技术进行岩体质量评价能够取得很好的效果.(5) 通过对已有的现场大型岩体变形试验结果的分析及相应试验点岩体结构分形特征的研究,建立了结构面分布的分形维数和岩体变形指标间的相关关系,并应用这种相关关系根据结构面网络模拟及分形维数计算结果确定缺少试验结果的地下厂房各具体工程部位的岩体变形指标而且应用于围岩稳定性计算.(6) 通过应用拉格朗日差分法对岩体强度指标的数值分析并与按连通率加权平均计算法及现场实验结果对比表明:模拟岩体力学实验与现场实验相结合可以简便易行地达到评价复杂岩体不同具体工程部位岩体强度参数的目的;按连通率加权平均计算法在考虑合理的折减系数情况下,可以简单快速地对缺少现场大型试验结果的具体工程部位实现岩体强度指标的估计.在此基础上研究了地下厂房各个岩体结构分区的围岩强度参数并应用于稳定性计算.(7) 通过结构面网络分形维数的研究,应用分形损伤耦合分析方法,研究了厂房区岩体的损伤特征,并引入"损伤度”的概念,建立了基于岩体损伤特征的岩体质量评价指标体系.(8) 分别应用二维及三维有限元数值模拟技术,研究了主厂房开挖后围岩二次应力场重分布的规律及岩体的变形破坏特征,从而对厂房开挖后围岩稳定性状况得出了明晰的认识.     

隧道围岩压力的应力分析方法

围岩压力值是进行隧道设计和稳定性研究的重要依据,一般求解围岩压力常采取经验简化方法,如普氏计算法、太沙基计算方法等。这些经验方法简单实用,但求得的围岩压力值没有考虑隧道断面的形状影响和局部的压力变化,更无法考虑隧道围岩复杂的地质条件和地形地表条件,在隧道结构设计中有一定的局限性。有限元法在求解非线性问题和复杂边界问题方面有很好的效用,目前是岩土工程采用最为广泛的数值分析方法。从应力分析的角度,通过应用有限元软件对湖南湘西某隧道进行应力分析,得到隧道围岩压力的规律,给出应力分布图和包括顶压和侧压的围岩压力图,进而分析该隧道的稳定性。     

基于块体和松动压力理论的隧洞围岩稳定性分析

岩体中开挖隧洞的围岩失稳形式较多,尤其在埋深浅、应力低、结构面发育的地质区域经常出现顶部垮塌和边墙滑动失稳现象。笔者以某导流隧洞为工程背景,基于块体理论,运用Unwedge程序以不同隧洞走向和不同开挖断面形式条件下搜索出的关键块体重量和安全系数为研究目标,通过对比优选出适合本区域内导流洞围岩稳定的理论轴线走向和断面形式,为设计单位提供理论支撑。同时,对主次节理高度发育、围岩破碎严重、不适于用Unwedge程序进行计算的区域应用松动压力理论对围岩稳定进行计算并给出支护建议。     

大跨径隧道围岩的快速分级与稳定性分析

通过某高速公路大跨径隧道的现场实勘,采用BQ围岩分级和CSIR分类法对将要变更隧道段围岩快速动态分级,结果表明,围岩质量好于Ⅳ级但是比Ⅲ级稍差。采用赤平极射投影和实体比例投影法对本段隧道定性定量分析,结果印证拱顶不稳定结构体为可能塌落体积为44.4 m³斜四面锥体落石。对围岩位移与支护结构应力的数值分析结果亦表明最大位移出现在拱顶,两种分析结果相互印证。据此对施工隧道进行了设计变更和优化,获得了良好的效果。     

超大断面隧道围岩的稳定性分析

根据地下结构设计理论和岩石屈服的Dmcker—Prager准则,考虑到围岩的自身承载能力,采用有限元对广西柳州一处公路隧道围岩的稳定性进行了分析。考虑到开挖方式、开挖顺序对围岩稳定性的影响,对围岩的开挖过程进行模拟。确定不同开挖方式下隧道围岩的位移、应力状态,以及位移、应力状态随时间的变化规律,为隧道施工过程中开挖方案的制定、支护时间的选取提供了依据。     

复杂隧道围岩安全性及其评价方法

 在对国内外现行隧道围岩分级方法分析的基础上,指出了其在隧道工程设计和安全性控制,尤其是复杂围岩控制设计方面存在的突出问题,认为现行的隧道围岩分级概念模糊,难以适应复杂多变的地层条件和较为严苛的环境控制要求,尤其是对稳定性较差的复杂围岩条件缺乏有效的指导作用。从隧道围岩控制的宗旨出发,提出了隧道围岩及其支护系统安全性的概念,明确了其科学内涵和表征方法;重点对于不具备自稳能力的复杂围岩安全性进行了研究,建立了隧道围岩安全性的分析模型,提出了隧道围岩安全性分析中应考虑围岩预加固效果的必要性及其评价方法;基于隧道围岩尺度效应和地层结构效应(时间效应)的分析,建立了围岩尺度响应的表述方法,同时从细观结构层面分析了不同地层结构形式对安全性的影响关系;结合“支护–围岩”动态作用关系的分析,建立了极不稳定地层条件下复杂隧道围岩安全性的评价指标体系,将围岩超前变形、超前破坏和地层加固有效性作为核心评价指标,形成了包括9项基础指标的评价体系,并提出了安全性的分级方法。最后介绍了隧道围岩安全性的分级方案的工程应用。     

广西柳州经合山至南宁高速公路吾排隧道工程地质特性评价

工程地质特性会直接影响工程设计和施工。文章在详细分析吾排隧道工程地质概况、不良地质作用,水文地质特征等基础上,对隧道岩体工程地质特征、隧道围岩分级进行研究,最后对隧址区域稳定性,隧道进出洞口边坡、仰坡稳定性,隧道围岩稳定性、岩爆及偏压问题进行评价。研究结果为全面提升隧道工程施工质量和建设水平提供可靠的数据支撑。     

蓖麻溪连拱隧道开挖施工方法的探讨

通过对国内一座典型连拱隧道工程事例的调研分析，结合其设计、施工方面的经验教训，主要对连拱隧道的地质构造情况、围岩特点、施工方法等方面作了较为详细地阐述，重点探讨了侧壁导坑开挖法在施工过程中的优劣，以期对今后我国连拱隧道的设计、施工有所裨益。     

超浅埋市政隧道下穿快速路施工沉降分析

以广州市大观路与车陂路系统改善工程中新建下穿东环快速路的隧道为工程背景,分析软弱围岩下浅埋大断面的市政隧道近距离穿越快速路的沉降和隧道围岩收敛情况,其计算结果可为同类工程设计和施工提供一定的理论依据.     

隧道围岩与支护结构变形协调控制机理及工程应用

为解决高应力下隧道岩爆以及软岩大变形控制难题,本文从隧道围岩荷载与支护平衡、变形协调控制及围岩能量守恒三方面进一步分析地下工程平衡稳定方法的特点;根据不同围岩级别总结地下工程平衡稳定方法中隧道支护结构抗力与围岩变形特征曲线,并提出隧道围岩支护的施工建议;通过分析围岩与支护结构有效荷载传递规律与功能转换特征,揭示围岩平衡与支护结构变形协调控制机理,并结合高应变吸能层材料设计一种表征为“吸能让压 支承抗压”的一体化新型隧道围岩支护工艺。通过工程应用表明,基于新型支护工艺在岩爆、软岩大变形隧道中围岩压力降低28.09%,保障了隧道安全高效施工。     

通透肋式拱梁隧道结构荷载设计计算方法探讨

The permeable tunnel with ribbed arch beam,which is a new type of tunnel structure,is analyzed. The geological environmental conditions and structural characteristics of this tunnel are expounded;and the concept of the design load standard for which the relaxation of the pressure caused by the surrounding rock failure in the limit state for this kind of non-symmetric half-dark tunnel structure is presented. By the numerical simulation study of the pattern and scope of tunnel surrounding rock failure,the basic failure modes of this tunnel can be concluded as which the vault slope rock slip along a ramp through the arch of the foot to form a wedge,and the size of the angle between the sliding failure surface and the horizontal plane determine the range of surrounding rock failure. On this basis,the structural load design and calculation model of the permeability tunnel with ribbed arch beam is established with theoretical analysis of the derivation,and compared and analyzed with the actual monitoring data and the numerical simulation results of construction conditions. The results show that the calculated internal forces distribution of this model can better reflects the variation of the internal force of tunnel structure,have a reliable safety margin,so as to provide a practical and effective design calculation method for the same type of half-dark tunnel structure section design and evaluation of long-term stability.