深埋隧道岩爆影响因素及其预测研究

受自重应力影响,深埋隧道往往存在高地应力,岩爆是其开挖过程中常见的地质五灾害之一。影响岩爆的因素众多,一般认为与地质构造、地应力大小、围岩岩性、隧道埋深及施工条件等有关,需要综合多种因素共同考虑。总结已有研究,可将岩爆影响因素分为两类:一是岩石内部影响因素,二是岩石外部影响因素。结合岩爆案例及文献资料,本文归纳分析了影响岩爆的主要因素和特征,提出了相应的防治措施,为深入开展深埋隧道的岩爆孕灾机理、预测预警和防治措施研究提供了参考。     

岩爆综合预测的模糊概率方法

 在综合分析岩爆发生条件的基础上,从岩性条件、应力条件和围岩条件3个方面,分别选取能量储耗指数、岩石脆性指数、弹性应变能指数、线弹性能、切向应力准则、地应力指数、强度系数以及岩体质量RQD 8个指标作为影响岩爆的主要因素。利用模糊概率理论,提出了一类新的岩爆综合预测方法,该方法较全面地考虑了岩爆评价中的模糊性与随机性,给出了岩爆影响因素的模糊权重,避免经典模糊综合评判方法在权重取值上的局限性。     

隧道洞挖引发岩爆的原因及防治措施

分析了双江口水电站深埋隧道区的高地应力及地下水等因素对隧道岩爆的影响,加强对围岩变形和岩爆监控,降低围岩表层温度,提前释放岩石应力,采用水胀式锚杆、快速支护围岩,对预防岩爆的发生有较好的效果.     

拉森斯(Russenses)岩爆判据研究

Russenses岩爆判据是岩爆分析常用判据,为求出该判据中环向应力,先导出了krisch方程,借助于岩石应力状态分析,对岩体在不同的水平和垂直应力作用下发生岩爆的影响深度进行研究.结果表明,随着水平构造应力较垂直应力的增加,岩爆影响深度逐渐减少,垂直应力对岩爆影响显著.对Russeness岩爆判据进行推广,建立了用洞室埋深来表示的岩爆判据,得到了发生岩爆的临界埋深公式.该公式反映出岩性对岩爆的影响,验证了岩爆发生条件是高地应力和岩石脆弹性的论断.     

地下洞室岩爆预测灰色最优归类模型研究

在灰色关联分析和模糊识别原理的基础上,运用最小二乘法构造目标函数,选取影响岩爆的主要因素洞壁围岩最大切向应力σt、岩块单轴抗压强度σc、岩爆岩石的脆性指数K u、应力下降指数Kσ、岩石的弹性能量指数K w,并将σt/σc、K u、Kσ和K w作为评价影响因子进行关联分析,同时将岩爆烈度划分为无岩爆、弱岩爆、中岩爆和强岩爆4个等级,建立岩爆烈度分级预测的灰色最优归类数学模型。模型运用了动态权重计算方法和综合评判指数的概念,充分考虑了评价标准指标的离散性。利用该模型对四川某水工隧洞3个断面围岩岩爆发生的可能性及烈度等级进行了预测,获得了较为客观的评价效果,表明所采用的地下洞室岩爆烈度预测方法是合理、有效的。     

基于PPA-正态云的深埋隧洞岩爆分级预测

针对深埋引水隧洞岩爆分级预测问题,引入云模型理论建立了基于PPA-正态云的岩爆分级预测模型。在综合分析影响岩爆发生的相关因素的基础上,选取单轴抗压强度与岩石抗拉强度之比σ_c/σ_t、岩石切向应力与单轴抗压强度之比σ_θ/σ_c、弹性变形能指数W_(et)以及岩石脆性指数I_s为岩爆分级预测的评价指标,并确定了相应评价标准,采用投影寻踪分析法确定各指标权重,由云模型正向发生器计算各指标的确定度并生成相应的云图,在此基础上给出岩爆分级预测结果。以国内外7条深埋引水隧洞为例建模计算,结果表明PPA-正态云模型可以得出准确的结果。     

岩爆烈度分级预测的云模型法及其应用

针对深埋引水隧洞岩爆分级预测问题,引入云模型理论建立了基于PPA-正态云的岩爆分级预测模型。在综合分析影响岩爆发生相关因素的基础上,选取了单轴抗压强度与岩石抗拉强度之比、岩石切向应力与单轴抗压强度之比、弹性变形能指数以及岩石脆性指数为本次岩爆分级预测的评价指标体系。根据既定体系确定了相应评价标准,采用投影寻踪分析确定各指标权重,由云模型正向发生器计算各指标的确定度并生成相应的云图,在此基础上给出岩爆分级预测结果。以国内外7个深埋引水隧洞为例建模计算并与其他预测方法计算结果进行比较,表明利用所提出方法可以得出准确的结果。     

PPA-NCM模型在岩爆烈度分级预测中的应用北大核心

针对深埋引水隧洞岩爆分级预测问题,引入云模型理论,建立了基于投影寻踪(PPA)-正态云(NCM)的岩爆分级预测模型。在综合分析影响岩爆发生的相关因素的基础上,选取单轴抗压强度与岩石抗拉强度之比(σc/σt)、岩石切向应力与单轴抗压强度之比(σ_θ/σ_c)、弹性变形能指数W_(et)以及岩石脆性指数I_s为本次岩爆分级预测的评价指标体系,根据既定体系确定了相应评价标准,采用投影寻踪分析确定各指标权重,由云模型正向发生器计算各指标的确定度并生成相应的云图,在此基础上给出岩爆分级预测结果。国内外7个深埋引水隧洞建模计算结果表明,该方法计算结果是合理的。     

PPA-NCM模型在岩爆烈度分级预测中的应用

针对深埋引水隧洞岩爆分级预测问题,引入云模型理论,建立了基于投影寻踪(PPA)-正态云(NCM)的岩爆分级预测模型。在综合分析影响岩爆发生的相关因素的基础上,选取单轴抗压强度与岩石抗拉强度之比(σc/σt)、岩石切向应力与单轴抗压强度之比(σ_θ/σ_c)、弹性变形能指数W_(et)以及岩石脆性指数I_s为本次岩爆分级预测的评价指标体系,根据既定体系确定了相应评价标准,采用投影寻踪分析确定各指标权重,由云模型正向发生器计算各指标的确定度并生成相应的云图,在此基础上给出岩爆分级预测结果。国内外7个深埋引水隧洞建模计算结果表明,该方法计算结果是合理的。     

可拓理论在岩爆等级评价中的应用

岩爆是岩体高地应力区的一种重要地质现象,是地下工程建设中比较关注的重要工程地质问题之一。采用可拓评判方法,选取岩石单轴抗压强度σc、洞室最大切向应力σθ、岩石单轴抗拉强度σt和弹性能量指数Wet作为岩爆评价的主要因素,应用物元概念和关联函数建立了岩爆等级评价的物元模型,针对中国工程已发生的实例进行分析,计算结果与实际情况符合,说明该岩爆预测模型具有一定的应用价值。     

基于PSO-SVM算法的高放废物处置北山预选区岩爆预测

为安全处置高放废物,我国拟在花岗岩体中建造埋深500 m左右的地下实验室,用以开展处置前期的相关研究。而岩爆作为深部岩石工程中一种常见的动力破坏现象,多造成严重后果。为指导地下实验室场址的筛选以及工程的安全设计施工,基于粒子群优化的支持向量机(PSO-SVM)和100组岩爆实测数据,结合北山预选区旧井、芨芨槽、新场3个候选场址的地应力值和岩体力学参数,以洞壁围岩最大切向应力σ_θ、岩石单轴抗压强度σ_c、岩石单轴抗拉强度σ_t、应力指数T_s、脆性指数B作为评判参数,对不同场址处竖井和隧道开挖的岩爆风险进行预测分析。结果表明:PSO-SVM算法用于岩爆预测是可行的;在埋深300~600 m范围内新场场址处工程开挖岩爆风险最低,以新场作为我国高放废物地下实验室的建设场址是最安全的。     

岩石单轴抗压强度的尺寸效应研究

影响岩石抗压强度试验值的因素很多,这些因素大致可分为两个方面:一方面是岩石自身的因素,如矿物成分、结晶程度、风化程度等;另一方面是试验方法上的因素,如试件形状、尺寸大小等。研究结合西南某水电工程勘测设计工作需要,进行了4种不同尺寸的岩石单轴抗压强度比较试验,以探索岩石单轴抗压强度的尺寸效应。试验研究结果表明:岩石单轴抗压强度的尺寸效应明显,随试件尺寸的增大,其抗压强度值逐渐减小。     

锦屏二级水电站引水隧洞围岩岩爆特性研究

为了解锦屏二级水电站引水隧洞围岩岩爆特性,对该工程区典型岩爆岩样系统地开展了岩石力学特性试验研究。试验结果表明岩样较完整坚硬、抗压强度高,主要以脆性破坏形式为主;典型地层试样的岩爆倾向性指数平均值W_et均大于2.0,当地处高应力区时,岩爆特征明显;岩样卸围压破坏过程中变形特征规律为初始卸载围压越大,岩石的扩容效应越显著,与常规三轴压缩试验相比,岩样卸荷破坏的峰后应力跌落时的轴向应变变化较小,初始围压越大脆性破坏特征越明显;CT扫描断面与图像重组手段分析表明,试样在卸荷试验过程中,首先经历压密阶段,然后进入扩容状态直至破坏,破坏后存在“密度回弹”现象。卸围压试验中,试样瞬间发生破坏,多数伴有破裂响声,多数产生“双剪”破坏;利用岩体基本质量指标来描述岩石坚硬程度和岩体完整程度,提出了一种新的岩爆判据形式与分级标准,利用试验成果对提出的岩爆判据与分级进行了验证,结论与锦屏二级水电站辅助洞岩爆实际情况相符。     

水电工程危岩体数据采集与稳定性分析

水电工程危岩体往往分布于高山峡谷之中,治理方案对地质勘察提出了更高的要求,通过三维激光扫描及数码摄影技术可以获取高陡危岩体的主要边界条件,以查明危岩体的结构面组成、连通情况、规模、主要影响因素等,进而进行危岩体分区及定性评价。根据岩石单轴抗压强度、结构面特征、地面坡度、结构面不利组合、地下水特征、植被覆盖情况等影响因子进行综合评分,进行半定量评价。最后,根据危岩体的破坏模式选取相应的稳定性计算模型进行分析计算,提出定量评价结论,为同类危岩体的勘察及稳定性分析提供一定的参考依据。     

某水电站厂房洞室群围岩点荷载强度试验成果分析及利用研究

通过厂房地下洞室群围岩点荷载试验,获得了洞室不同深度位置岩石点荷载强度值,试验发现各平洞点荷载强度随洞室深度变化呈现明显的波动性变化特征。研究表明,围岩岩性、断层以及岩石微观结构等是影响岩石点荷载强度的主要因素。其中,围岩中普遍发育的矿物定向排列是导致点荷载强度波动性变化的最主要因素。最后,通过与实测单轴抗压强度比较,得出当岩石单轴抗压强度大于60 MPa时,宜采用成都理工大学推荐公式换算单轴抗压强度,当单轴抗压强度小于60 MPa时,宜采用水利水电规范推荐的转换公式计算岩石单轴抗压强度。     

基于数量化理论I的双护盾TBM掘进速度预测研究

以甘肃引洮一期工程9#隧洞为例,引入数量化理论I的建模原理和方法,建立了定性数据包括围岩类别和地下水情况2个解释变量,定量数据包括单轴抗压强度、抗拉强度、泊松比和变形模量4个解释变量的预测模型,研究了双护盾TBM施工掘进速度的影响因素,并从理论上证实了该预测模型的可靠性。结果表明：在同等围岩力学参数条件下,围岩稳定性越好越有利于TBM的施工,反之则会阻碍施工进度,且阻碍效应会随着地下水的增多而增强;岩石的泊松比、抗拉强度对TBM掘进速度呈显著正效应,而单轴抗压强度和变形模量呈负效应。通过对实测值和预测值的比较发现,二者掘进速度的相对误差绝对值为0.23%~5.38%,平均值为0.39%,说明预测模型用于双护盾TBM掘进速度的预测是可靠的,并可用于同类工程施工进度的预测和工程进度的控制管理。     

基于正交设计的颗粒流模型宏细观参数相关分析——以岩石单轴压缩数值试验为例

分析颗粒流模型中宏细观参数的关系,可为细观参数的匹配提供依据。以平行黏结模型作为基本模型,以单轴压缩数值试验作为宏观参数测试方法,对数值试验进行正交设计,采用多因素方差分析研究细观参数对宏观参数的影响。结果表明：弹性模量E主要受Ec(〖AKE-〗c)影响;泊松比γ主要受kn/ks(〖AKk-〗n/〖AKk-〗s)影响;单轴抗压强度σ_n主要受平行黏结强度参数σ_cn,τ_cs,SD/Mean影响;μ对宏观强度参数没有显著影响,而对宏观变形参数具有一定影响;R_A只对泊松比γ存在一定影响。在此基础上,建立了针对岩石单轴压缩数值试验的细观参数匹配方法。      

岩石单轴压缩端部效应的数值仿真分析

为了研究端部摩擦对岩石强度的影响,基于连续介质力学的方法,采用非线性损伤本构关系,描述岩石材料的力学行为。在此基础上,引入岩石力学性能的Weibull随机概率分布,以表征岩石力学参数的非均质特性与损伤局部化现象,建立了岩石细观力学模型,并对一系列不同摩擦系数下的岩石试件单轴压缩试件进行了数值试验。计算结果表明,在岩石单轴压缩试验中存在着端部效应,端部效应对岩石试件(特别是长度较小)的单轴压缩强度、应力-应变曲线及破裂形态影响显著。因此,为获取真实的岩石力学特性,需有效地控制实验室试验条件,降低端部效应对测量结果的影响。     

岩石地基承载力取值原则探讨

《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)规定:坚硬岩、半坚硬岩石地基承载力可按岩石单轴饱和抗压强度折减后取值,坚硬岩取岩石单轴抗压强度的1/25~1/20,中硬岩取岩石单轴抗压强度的1/20~1/10。综合分析各行业的研究成果,认为该取值原则偏于保守,仅仅考虑单轴抗压强度的影响比较片面,会在实际工程中造成不必要的浪费。结合水电工程的特点和不同行业的研究成果,提出以岩体完整性和岩石强度相结合的基岩承载力取值原则,建议及时修改规范相关条文,以便更加切合工程实际。