高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究

 采用理论分析、动力有限元数值模拟和振动监测数据对比等综合方法，研究高地应力条件下隧洞钻爆开挖诱发围岩振动的特征。发现高地应力条件下深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动由爆破振动和岩体初始地应力(开挖荷载)动态卸载诱发振动两部分叠加而成。在低岩体初始应力条件下，隧洞钻爆开挖过程围岩振动主要由爆炸荷载所引起；高地应力条件下，开挖荷载瞬态卸荷诱发振动的幅值可超过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。利用四川省瀑布沟水电站引水隧洞进口段(地应力水平10 MPa)和尾水隧洞洞身段(地应力水平20 MPa)钻爆开挖过程的实测围岩振动资料，对理论分析和数值模拟结果进行验证。     

高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究

采用理论分析、动力有限元数值模拟和振动监测数据对比等综合方法,研究高地应力条件下隧洞钻爆开挖诱发围岩振动的特征。发现高地应力条件下深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动由爆破振动和岩体初始地应力（开挖荷载）动态卸载诱发振动两部分叠加而成。在低岩体初始应力条件下,隧洞钻爆开挖过程围岩振动主要由爆炸荷载所引起;高地应力条件下,开挖荷载瞬态卸荷诱发振动的幅值可超过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。利用四川省瀑布沟水电站引水隧洞进口段（地应力水平10 MPa）和尾水隧洞洞身段（地应力水平20 MPa）钻爆开挖过程的实测围岩振动资料,对理论分析和数值模拟结果进行验证。     

软弱隧道围岩拱顶塌方及锚杆支护效应试验研究

为研究软弱岩体中隧道开挖引起的围岩失稳破坏特征以及锚杆的加固效应,以IV级围岩为参照对象,开展一系列无锚杆和有锚杆支护条件下的隧道开挖地质力学模型试验,并对拱顶围岩的位移、应力和宏观破坏形式的发展变化规律进行分析。研究结果表明:(1)隧洞开挖后,围岩破坏始自隧道两侧拱脚,渐次向上延伸并塌落成拱;(2)由于锚杆的悬吊挤压作用及其与岩层的组合梁效应,显著减少了拱顶岩体塌落范围;(3)锚杆通过对岩体施加黏锚力,提高了锚固范围内岩体的强度和韧性,有利于增强围岩的承载能力和抵抗变形能力;(4)锚杆支护对围岩应力分布起调节作用,使得围岩能在较高的能量状态下获得稳定平衡,并延缓了围岩进入"软化"阶段。上述研究成果可为软弱隧道围岩稳定性评价以及支护结构的设计与施工提供一定的借鉴和参考作用。     

超大断面隧道软弱围岩卸荷渐进破坏特性研究

以深圳市东部过境高速公路连接线工程为背景,针对谷对岭“Y”形喇叭口大断面分岔隧道,通过室内地质力学模型试验和数值模拟等手段,对大断面隧道围岩的渐进性破坏过程、岩体内部变形和应力变化规律进行了研究。研究结果表明:软弱隧道围岩的破坏是始自拱腰以下的岩体,而后自拱腰向上继续扩展成拱,为此必须要对拱腰以下岩体施作锁脚锚杆,从而制止岩体的初始剪切破坏;当采取左右导洞分块开挖时,后开挖导洞会引起既有洞室围岩的破坏,因此需要对导洞之间的隔墙进行加固;拱顶上方0.95B（B为隧道跨度）范围内的岩体变形受到隧洞开挖影响,但最终塌落成拱的高度为0.55B;隧道开挖后,拱顶上方岩体应力升高区主要集中在0.4B~0.95B的范围内。     

跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟

 断层及其破碎带是隧道开挖过程中常见的不良地质现象,也是围岩不稳定且容易出现事故的地段。以山区隧道施工中常见的IV级围岩为参照对象,利用地质力学模型试验和数值模拟研究跨断层隧道施工过程中围岩的渐进性破坏过程及其受力变形特性。研究结果表明：(1) 位于拱顶之上的断层下盘岩体在隧道开挖后呈悬挑状态,且在靠近断层部位易出现拉裂缝;(2) 隧道开挖使得上覆荷载向隧洞左、右两侧转移,从而导致拱腰以下的岩体往往率先剪切破坏,尤以断层下盘一侧岩体为甚;(3) 隧道开挖将引起围岩应力重分布,若调整后的围岩应力超出岩体自身强度极限时,洞周岩体就会塌落成拱,且位于塌落范围内的岩体切向应力呈“跌落式”下降,此特征可用于判断岩体塌落范围;(4) 隧道开挖后,由于断层的阻隔作用,岩体应力在跨越断层上、下盘时呈不连续、非线性分布的特征。     

深埋隧道软弱围岩渐进性破坏及其锚固效应试验与模拟

针对软弱岩体中隧道开挖过程中出现的塌方破坏问题,通过室内地质力学模型试验和数值模拟,对有、无锚杆支护情况下围岩的渐进性破坏过程、岩体地表变形以及岩体内部的应力变化规律进行了对比分析,所得结论如下所述:①隧道开挖使得上覆岩层荷载向隧洞左、右两侧转移,拱腰以下岩体往往率先剪切破坏,锁脚锚杆可有效制止岩体初始剪切破坏;②围岩破坏自洞周逐渐向岩体深部发展,沿与水平面夹角为45°+φ/2的方向产生两个滑动面,并在洞顶形成一自然平衡拱,锚杆支护可有效减小岩体塌落范围;③锚杆的存在大大改善了围岩的应力状态,不仅提高了拱腰岩体剪切起裂荷载值,而且还使得拱顶岩体在破坏前可承担更大的上覆荷载;④塌落区内的岩体切向应力呈"跌落式"下降,此特征可用于判断岩体塌落范围及为隧道塌方预警服务。     

微差段间重复扰动导致深埋隧洞围岩损伤机制

 爆破荷载和地应力的瞬态卸载是深埋隧洞开挖损伤区孕育及演化的重要影响因素。根据深埋圆形隧洞爆破开挖过程,采用理论模型和数值模拟相结合的方法分析开挖面上各段爆破引起的爆炸荷载和地应力瞬态卸载应力场的变化规律,并比较各段爆破开挖对隧洞保留岩体的损伤程度。计算结果表明,爆炸荷载对围岩岩体造成的破坏主要是张拉破坏或张剪破坏,地应力瞬态卸载造成的破坏主要是压剪破坏;各段开挖爆炸荷载和地应力瞬态卸载对最终的开挖损伤区均有贡献,体现了重复扰动损伤效应,其中以MS7和MS9段的影响最大,表明各段开挖对最终损伤程度的影响不仅与荷载值的大小有关,与各段的开挖半径同样关系密切;当地应力水平不断提高时,地应力瞬态卸载对损伤区的贡献也会越来越明显;当深埋隧洞开挖的爆破参数相同时,地应力水平将成为围岩损伤的决定性因素。     

深部试验隧洞围岩脆性破坏及数值模拟

 围岩破坏模式和机制的深入认识和把握、围岩破坏程度的合理评价对于深部地下工程围岩稳定性的分析和调控至关重要。锦屏二级水电站深部地下试验隧洞即为针对该问题而建设的国际上埋深最大(2 500m)的地下试验隧洞之一。通过大理岩室内试验结果的分析,深入研究和认识大理岩基本工程力学特性。基于此,分析试验洞开挖后围岩的破坏模式和机制,应用脆性岩体本构模型(RDM)、数值模拟方法和FAI评价方法分析开挖后围岩脆性破坏的范围和深度,并与现场揭露情况进行对比。分析结果较好地体现高应力条件下大理岩的脆性破坏特征,达到对围岩破坏程度合理把握的目的,为引水隧洞开挖期间支护参数的设计和施工处理措施的制定奠定坚实的基础。     

钻爆法与TBM开挖深部洞室诱发围岩应变能释放规律

 在深部岩体开挖过程中,围岩应变能的释放是导致岩体破坏的诱因之一,而不同开挖方式下应变能的释放规律存在较大差异。通过理论分析,探讨了钻爆法和TBM开挖下能量的转化和分配机理,并对锦屏二级水电站深埋隧洞TBM和钻爆开挖导致的围岩振动进行现场监测和对比分析,讨论了不同开挖方式下应变能释放的过程及特性。研究表明,高地应力下爆破开挖过程岩体所储存的应变能伴随爆破破岩过程高速释放,且应变能诱发的振动能与爆炸能诱发的振动能大致相当,另外,MS1段释放的岩体应变能约为整个开挖过程应变能释放量的50%;而TBM开挖条件下,开挖岩体内应变能以准静态的方式缓慢释放,几乎全部转化为岩体势能,不会引起围岩动力响应。相同条件下,钻爆开挖所引起围岩释放的应变能的大小和速率均较TBM开挖大,导致相同条件下钻爆开挖的隧洞高等级岩爆发生的频次较多,而TBM开挖条件下以片帮、剥落为代表的破坏现象较为显著。     

深埋洞室岩体开挖卸荷诱导的围岩开裂机制

 针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用双向受压条件下的压剪裂纹扩展模型和应力强度因子计算公式,分析开挖面上岩体应力瞬态释放和邻近的围岩应力瞬态调整对围岩开裂过程的影响。结果表明,与准静态卸载条件相比,开挖面上岩体应力瞬态释放在围岩中产生附加动应力,导致围岩径向卸载和环向加载效应放大,加剧了深埋洞室围岩开裂效应,导致开裂范围增大;开挖卸载速率越快,围岩中产生的附加动应力幅值越大,围岩的开裂效应越显著。     

隧道开挖过程中复杂裂隙围岩的固流耦合分析

隧道通过裂隙岩体的含水区段时,人为扰动了裂隙岩体、地下水等构成的复杂地质系统,是造成各种涌水、突水、突泥事故的重要原因。为了研究复杂地质条件下隧道开挖过程中岩体变形、流体运移相互作用过程,探讨其对隧道涌、突水的影响,在上述复杂过程进行理论分析的基础上,根据深埋隧道围岩裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立可以同时考虑不同级别裂隙网络的复杂裂隙岩体水力学模型,采用有限元法对复杂裂隙岩体中开挖隧道的固流耦合过程进行了数值模拟,模拟结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应,开挖过程中复杂裂隙岩体渗流场与应力场的耦合作用显著的增加了隧道围岩屈服区。     

裂隙岩质边坡渗流与非连续变形耦合过程分析

 裂隙岩体中的渗流–应力耦合作用是岩质边坡失稳的重要因素之一。离散裂隙网络(DFN)模型用于研究裂隙岩体渗流,具有概念简单、效率高、适用性强的优点,是研究裂隙岩体渗流问题最为有效的手段之一。非连续变形分析(DDA)方法是专门针对裂隙岩体的非连续特性提出的一种变形场求解方法,能够更加真实地刻画工程岩体。将DFN模拟和DDA方法结合起来,提出基于DDA-DFN的渗流–应力耦合模型,给出考虑裂隙渗流情况下岩体块体系统的瞬时平衡方程,用于研究裂隙岩体变形对渗流的影响和渗流–应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征。利用该耦合模型,对一大型水利水电工程边坡稳定性进行分析。结果表明,水库蓄水后,地下水大幅度抬升,渗流–应力耦合作用加剧,导致边坡裂隙岩体中的关键部位发生大变形甚至破坏,进而触发边坡的进一步失稳。实例分析验证了这种方法用于边坡稳定性分析的有效性。     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。     

考虑流固耦合的地下储油洞库稳定性研究

应力场与渗流场耦合是影响水封式地下储油洞库群稳定性的重要因素之一。洞库群的开挖导致形成区域地下水降落漏斗,因此储库水封系统必须保证稳定的地下水位。以“黄岛地下水封洞库工程”的设计方案为模型,基于流固耦合分析理论,采用有限差分软件Flac3D进行数值模拟,主要分析了饱和水状态下,渗流场对洞库周围围岩应力、位移变形和孔隙水压力的影响,并确定合理的水封方案和最优的水封巷道高度。文中所得结论对实际地下洞库群的设计施工具有一定的参考价值。     

基于连续介质模型的海底隧道渗流问题分析

 与普通山岭隧道不同,海底隧道的一个显著的特点就是有着无限的水源对海底隧道进行补给。海底隧道开挖引起的地下水渗流带来两方面的问题：一是结构水荷载的确定问题,二是涌水量的预测问题。将围岩看作各向同性连续介质,针对这两方面的问题进行研究。明确孔隙介质中水压力的实质;根据国内外最新研究成果,针对山岭隧道和海底隧道不同的边界条件,对各向同性渗透系数下平面半无限含水空间圆形隧道稳定渗流的涌水量和水压力分布的解析解进行分析;以青岛胶州湾海底隧道为工程背景,采用数值方法比较应力场对渗流场的影响,以及围岩渗透系数、水深、注浆圈渗透系数和注浆圈厚度的改变对围岩孔隙水压力和洞内涌水量的影响。分析结果表明：隧道开挖的成拱效应对围岩孔隙水压力的分布和洞内涌水量的大小影响不大;在不考虑渗流场和应力场耦合作用、水深一定条件下,渗透系数的改变不会影响毛洞孔隙水压力的分布;隧道洞内涌水量随着围岩渗透系数或围岩上覆海水深度的增大呈线性增大;注浆圈渗透系数的减小和注浆圈厚度的增大都可以达到减小隧道洞内涌水量的目的,在实际施工中应该在注浆的经济性和其堵水效果两方面进行综合分析,确定最优化的注浆参数。     

深埋巷道分区破裂化机制

深部巷道外部受到远场原岩应力的作用，而内壁受到一个随时间变化的内压作用，开挖过程是动力问题，其运动方程可以用位移势函数来表达。通过对运动方程进行Laplace变换，进而求得其通解。根据弹性力学知识和边界条件得到巷道围岩由于开挖扰动和原岩应力作用引起的弹性应力场和位移场。当该弹性应力场满足破裂条件时，岩体发生破裂，位移不连续，形成破裂区。结合断裂力学知识，确定破裂区岩体的残余强度和产生破裂区的时间，进而确定破裂区和非破裂区的宽度和数量。数值分析结果表明，巷道分区破裂化的产生跟开挖速度与岩石强度有关。该研究可为深部岩体的开挖和支护设计提供初步的理论基础。     

隧道开挖的围岩损伤扰动带分析

在给出隧道开挖损伤扰动带的概念、主要影响因素基础上,提出了隧道开挖损伤扰动带的力学、渗流特征及表征方法。在现场实测基础上,利用数值法研究了隧道开挖后的不同开挖方法的变形、渗流场变化规律。结果表明:开挖损伤主要决定于隧道开挖方法;隧道开挖引起的渗流影响边界大于力学影响边界。研究结果有助于合理地建立隧道开挖问题的流固耦合模型。     

裂隙岩体渗流场与应力场耦合研究进展与展望

在分析岩体多介质渗透特性的基础上，提出了岩体多介质渗透类型，综述了裂隙岩体渗流场与应力场耦合模型的研究进展，并提出耦合模型进一步研究的方向。     

考虑裂隙水影响的隧道受力特征数值模拟

围岩富集裂隙水对隧道施工和运营有着较严重的影响。结合九景衢铁路隧道施工设计,采用离散元法,模拟了考虑裂隙围岩渗流作用的隧道施工力学特性,分析了排水和堵水2种隧道施工措施对裂隙围岩及支护结构的影响。结果表明,在隧道开挖面附近设置适量水头对围岩节理裂隙加固处理以及支护结构合理受力有一定的积极作用。