大型洞室群智能动态设计方法及其实践

 针对复杂地质条件下高边墙、多洞交叉的大型洞室群多步开挖过程中的强卸荷特点,采用经验类比、数值分析、智能分析等方法的综合集成,提出复杂条件下大型洞室群稳定性分析、开挖过程与支护设计的智能动态设计方法。该方法以解决大型地下洞室群不同设计阶段稳定性需要解决的关键问题为目标,从地质条件的认识、地应力分布特征的把握、高边墙多洞室交叉的围岩变形破坏机制的理解到围岩稳定性评价、破坏模式识别、调控措施(开挖过程和支护方案)全局优化以及施工过程中的反馈分析与动态调整的系统全过程进行研究,论述地下洞室群修建前的初步设计方法和洞群修建过程中的动态最终设计方法。在锦屏二级水电站地下厂房设计与施工全过程的应用实践表明,该方法可以实现大型洞室群设计与施工的信息化、智能化和科学化。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

地下洞室围岩顶拱承载力学机制及稳定拱设计方法

 受枢纽布置和地形地质条件的限制,三峡工程地下厂房布置于右岸白岩尖山体中,主厂房洞室上覆岩体最薄处仅1倍厂房跨度,显然不满足现行规范关于上覆岩体厚度不小于2倍开挖宽度的要求。对于这类浅埋式的大跨度高边墙地下厂房,在上覆岩体厚度有限及一定初始应力条件下,洞室顶拱的稳定性是必须解决的首要技术问题。从岩体结构、岩体强度和地应力水平对围岩稳定性控制的角度出发,通过对地下厂房洞室围岩顶拱承载力学机制的研究,提出地下洞室岩体稳定拱的定义及其存在的力学条件,给出地下洞室岩体稳定拱的确定方法,分析采用地下洞室岩体稳定拱确定上覆岩体厚度的可行性,形成一套确定浅埋式地下厂房洞室埋置深度的稳定拱设计方法。研究结果表明,三峡工程地下厂房顶拱围岩具备形成稳定拱的埋深条件和水平应力等条件,形成稳定拱的最小埋深约为2/3倍洞跨,在上覆岩体中形成稳定拱的最小水平侧压系数应大于1.5,而最大水平侧压系数不宜高于3.0。据此进行主厂房顶拱设计,多年的应用成效显示,地下厂房顶拱围岩是稳定安全的,表明三峡工程地下厂房顶拱在既定的围岩强度、岩体结构以及初始地应力水平等条件下,采用稳定拱设计方法确定洞室上覆岩体厚度是合适、可靠的,能够保障洞室围岩稳定,满足工程安全的要求,可为解决大型浅埋洞室的设计提供理论基础和科学依据。     

高地应力条件下地下厂房洞室群围岩的变形破坏特征及对策研究

 依据官地水电站大型地下厂房洞室群地应力高、围岩坚硬、结构面发育等特点,在地应力特征、围岩结构特征分析的基础上,结合围岩变形监测成果和三维数值仿真分析成果,对洞室围岩变形破坏特征进行归纳总结,并系统提出高地应力条件下地下厂房洞室群的布置设计、开挖支护设计和施工对策。建议高地应力条件下,洞室纵轴线的选择应兼顾最大主应力方位和围岩主要结构面、采用较大的洞室间距和较大的顶拱矢跨比、采用合理的开挖方式和开挖顺序、适当提高喷混凝土强度等级、延时浇筑岩壁吊车梁和母线洞衬砌、合理确定锚索张拉力锁定值,对具备岩爆条件的洞室围岩先初喷50～60 mm厚的钢纤维混凝土后再实施系统锚杆和挂网喷混凝土层到设计厚度等。上述建议对于高地应力条件下类似地下厂房洞室群的设计与施工具有重要的指导意义和应用价值。     

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。     

DDA方法在复杂地质条件地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

摘要：以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

大型地下厂房洞室群施工期围岩变形分析

瀑布沟水电站地下厂房洞室群规模大,地质条件复杂,水平构造应力高,施工期围岩的变形及稳定问题突出。结合弹塑性有限元方法和围岩变形监测资料综合分析了地下厂房洞室群施工期围岩的变形特征及稳定性。结果表明:主厂房围岩变形最大,尾水闸门室变形次之,主变室变形最小,厂房上下游边墙位移随着厂房下挖逐级增大,在厂房中部下游边墙岩锚梁高程部位处实测最大位移为107 mm;厂房边墙位移在墙顶和墙底较小,墙中部较大,上游边墙位移总体大于下游边墙;厂房拱顶径向位移总体上很小,上、下游边墙在两端的副厂房和安装间变形较小,中部变形较大;数值计算结果和变形监测资料有较好的一致性,围岩变形受施工程序和地质条件的影响较大。     

DDA方法在复杂地质条件下地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

基于岩石强度应力比的大型地下洞室群布置设计方法

分析不同岩石强度应力比条件下典型水电站地下厂房洞室群围岩的破坏模式和变形特征,阐明岩石强度应力比与洞室围岩的承载能力、破坏模式、变形特征之间的关系,并根据洞室群效应及其对洞室群围岩稳定的影响、谷坡地应力场特征、地应力分级标准、大量已建水电站洞室群布置设计统计资料、数值分析成果、既有相关研究成果、工程经验,创建基于岩石强度应力比的大型地下洞室群布置设计方法,提出具体的量化指标和相关计算公式。该方法主要根据岩石强度应力比,结合场址地应力场特征、围岩结构面发育特征等进行地下洞室群的布置设计,较为全面地考虑了影响地下洞室群围岩稳定的主要因素,适用于各种地应力水平和复杂地质条件的地下洞室群布置设计。     

基于层状岩体卸荷演化的锦屏I级地下厂房洞室群稳定性与调控

 锦屏I级水电站地下厂房洞室群开挖支护设计与施工控制以及整体稳定性等问题十分突出,施工期已经明显呈现出高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏特征。根据锦屏I级地下厂房层状岩体力学特性,采用考虑卸荷演化的层状岩体本构模型及其数值模拟方法,反演获得初始地应力场以及层状岩体力学参数。在此基础上,对锦屏I级地下厂房洞室群进行三维数值模拟分析,获得一些对高应力下锦屏I级水电站大型地下洞室群施工期围岩稳定与支护安全等方面的认识,提出洞室群围岩应力释放调控、松弛区承载力调控以及变形开裂调控等适时工程调控措施与建议。研究结果表明,洞室群整体开挖完成后的现场监测结果和围岩稳定现状等证实了所提出的认识和调控措施的合理性,表明层状岩体本构模型及其数值模拟分析方法能够较好地反映高应力下层状岩体中大型地下洞室群施工期的工作性状。     

高地应力条件下大型地下洞室群稳定性综合研究

 从认识论的角度提出数值仿真技术服务于地下工程实践的PFP分析方法,并随拉西瓦水电站地下厂房工程开挖进度分3个阶段对洞群围岩稳定性进行系统地分析和预测。研究成果表明：在高地应力硬岩洞室群开挖过程中,不同部位围岩位移具有明显的空间差异性和时间渐变性;岩体中应力表现出一定的波动性、转移性;多洞室交叉使得围岩松弛区域具有一定的特殊性;围岩破损模式和深度也具有区域差异性等。其成果为洞室开挖与围岩支护改进提供了科学依据,也被实际洞室开挖过程揭示的变形规律和围岩开裂、掉块等破坏模式所证实。这些高地应力下硬岩力学行为规律对其他类似地下工程围岩稳定性研究也具有较好的借鉴意义。     

溪洛渡水电站超大型地下厂房洞室群岩体工程控制与监测

 金沙江溪洛渡水电站地下厂房洞室群规模巨大,结构复杂,玄武岩组内层间与层内错动带致使岩体非连续性是主要地质问题。采用损伤弹塑性数值方法对围岩稳定性进行分析,确定洞室开挖顺序和支护参数。精细化施工组织,严格控制开挖对岩体的损伤范围,并保证洞室轮廓的良好成型。及时对监测数据进行分析和反演分析,对支护工作量进行动态设计。开挖过程中,位移和应力变化规律较好;开挖完成后,位移和应力总量值较小,洞室围岩稳定性良好。溪洛渡地下厂房洞室群规模为我国已建和在建工程之首,总结其设计、开挖与支护,监测与反演等岩体工程控制措施,对类似工程具有指导和借鉴作用。     

向家坝水电站地下厂房缓倾角层状围岩稳定分析

 向家坝水电站地下厂房跨度33.4 m、高85.2 m,为国内最大跨度与高度的地下厂房。缓倾角岩层中大跨度地下洞室群的开挖致使顶拱围岩稳定问题突出,为典型结构面控制型地下岩体工程。采取三维离散单元法与应力位移监测相结合的研究对策,对围岩稳定进行综合分析,实施对穿锚索和系统锚杆的加固对策,并基于监测成果说明厂房顶拱围岩在开挖加固后的稳定性。研究表明,浅至中等埋深结构面控制型围岩稳定问题必须加强工程地质分析,重视岩体的非连续性和各向异性,宜采用非连续介质力学分析方法进行分析,以实施针对性加固措施。     

三峡地下厂房顶拱典型块体研究

 岩石块体稳定性问题是三峡工程地下电站洞室工程的主要地质问题之一。电站主厂房洞室跨度大、边墙高，形成的临空边界宽大。本文介绍块体软件GeneralBlock的基本分析过程，并采用GeneralBlock软件建立三维岩石块体模型，对顶拱进行块体识别和稳定性分析。根据块体识别及分析结果，并考虑各块体内的组合形式，设计、施工了相应的预应力锚索或锚杆加固处理，并对锚杆、锚索和块体进行系统监测。监测结果表明，块体变形控制在2 mm以内，锚杆应力和锚索损失率保持稳定，锚固效果较好。     

大型地下洞室位移量级预测初步探讨

 位移是岩体最容易测量与控制的参数,其量级与速率是隧道工程围岩稳定评判或位移监控的基本参数。但对于大型地下洞室而言,目前尚未建立相应的标准。以我国西南地区已建或开挖完毕的6个水电站大型地下厂房的位移监测成果为基础,总结影响地下厂房围岩位移量级的因素,提炼出主要影响因素,即围岩初始地应力水平和岩体性状,分别用最大主应力 与岩块饱和单轴抗压强度 表征。引入围岩应力强度比 代表2个主要因素,建立其与边墙最大和平均位移量级的2个经验关系式,取得了较好的研究结果,该成果可为地下洞室位移监测设计、预警与监控标准的建立提供参考。最后,对经验公式的适用性与改进途径进行分析。     

岩石应变软化模型在深埋隧洞数值分析中的应用

 随着地下洞室的大量兴建,且埋深越来越深,深埋地下洞室的开挖稳定性问题显得非常重要。针对深埋隧洞围岩特殊的力学特性表现,采用应变软化模型进行数值分析更为合适。首先,对深埋隧洞围岩力学特性和岩石应变软化模型进行简单分析,并且通过数值加载试验分析了Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型计算得到岩石应力–应变关系之间的区别。然后,对简单圆形深埋隧洞进行数值分析,对比分析了Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型计算结果之间的差别,分析主要针对围岩的变形、塑性区和安全系数。最后,采用应变软化模型对两家人水电站深埋地下洞室群进行计算分析,对该地下洞室群的开挖稳定性进行评价。计算结果表明,调压室主室两侧边墙和各洞室连接处的变形较大,较其他地方更危险,需要加强对调压室主室边墙和各洞室连接处的支护强度。     

基于围岩松动圈的地下工程参数场位移反分析

 受爆破松动影响,地下洞室开挖后围岩强度会有所降低,根据松动损伤程度将其视为一个连续的三维“参数场”。由围岩松动圈的形成机制,分析地下洞室开挖后松动圈的计算方法,提出考虑松动圈的围岩参数场增量位移反分析法。针对岩土工程反分析计算量巨大的实际问题,对反演计算过程进行了基于MPI的主从式并行框架改进,运用计算机集群网络进行并行计算,减少了迭代计算次数和计算耗时,极大地提高了计算效率。通过对溪洛渡水电站右岸地下厂房的参数反演,得到了较好的反演效果,验证了此法的可行性和合理性。依据反演得到的参数场对现有支护设计及洞室围岩稳定状态进行评价,并对后续开挖进行预测,为工程设计施工提出合理建议,为地下工程参数反演提供了一种新方法和新思路。