隧洞开挖过程初始地应力动态卸载效应研究

采用理论计算、数值模拟和工程实测资料验证相结合的方法分析了圆形隧洞钻爆开挖时开挖边界上初始应力场动态卸荷效应,并计算了其破坏范围。计算结果表明在高地应力条件下进行爆破开挖时,初始应力动态卸荷在岩体中所产生的损伤范围比准静态卸荷所产生的损伤范围要大;侧压力系数λ和极角θ是影响初始应力动态卸载应力场的两个主要因素;在一定的卸载速率条件下,侧压力系数λ越大,动态卸载效应越显著,其所产生的损伤范围也相应较大。工程实例证明了该结论的合理性。     

深部岩体开挖方式对损伤区影响的试验研究

 深埋隧洞开挖过程中,钻爆法和TBM开挖所对应的不同围岩应力调整路径对开挖损伤区的形成有重要影响,但这一影响尚未引起足够的重视。依托锦屏二级水电站深埋隧洞群的开挖,通过损伤区原位检测试验对比分析2种不同开挖方式下围岩损伤区的特性及形成原因;作为现场试验的补充,在考虑锦屏大理岩基本力学特性和应力瞬态调整效应的基础上,采用数值方法比较应力瞬态和准静态调整所分别形成的开挖损伤区大小。试验结果表明,锦屏二级引水隧洞钻爆开挖的洞段,内损伤区(即严重损伤区)深度可以占到总损伤区深度的50%以上,岩体基本失去承载力。另外,此区域在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一;而TBM开挖洞段,内损伤区深度约占总损伤区深度的30％,该区域的形成可能更多地受到锦屏大理岩强度时间效应的影响,是表面应力松弛破坏逐渐发展的结果;考虑锦屏大理岩脆–延–塑性转换特性和应力瞬态调整效应后,可以利用数值计算方法较为客观地估计不同开挖应力路径下围岩开挖损伤区的范围。研究结论对深埋隧洞开挖方式选择及支护策略制定具有借鉴意义。     

TBM隧道在不同围岩条件下的数值模拟分析

通过利用ANSYS有限元分析软件，对TBM法隧道施工的过程进行数值模拟分析，结合隧道的工程地质情况，通过分析其应力应变的状态，提出了ANSYS模拟TBM在不同围岩条件下开挖隧道时围岩应力变化的可行性，得出了TBM隧道在不同围岩条件下的一些基本特征。     

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。     

深埋隧洞开挖引起的围岩开裂研究

利用动态版岩石破裂过程分析系统(RFPA~(2D))模拟岩体加载和卸载过程岩体内部裂纹起裂、扩展的演化规律,研究加载和卸载条件岩体内部裂纹开裂异同;通过不同压力条件下圆形隧洞围岩开裂分布特征模拟及分析,探索高地应力条件下地下洞室开挖卸荷引起的应力效应及其对围岩开裂的影响,并依据声发射(AE)作为瞬态卸荷引起岩体开裂的判据研究动态卸荷引起的围岩开裂范围。研究表明:开挖卸荷是深埋隧洞围岩发生开裂的重要原因;卸荷持续时间越短引起的围岩开裂范围越大;围岩开裂深度及范围随着侧压力系数增加而增大,且侧压力系数不等于1时,高地应力条件圆形隧洞围岩开裂区域近似呈V型。     

静荷载理论在岩爆研究中的局限性及岩爆岩石动力学机理的初步分析

对围岩切应力与单轴抗压强度的比值、岩爆事件的空间分布、TBM掘进隧道的围岩稳定及超深井井壁稳定等问题的分析表明，静荷载理论在岩爆研究中的局限性是明显的。对于钻爆法开挖的硬岩隧道，岩爆应该是处于非均匀应力状态的围岩在爆炸加载波、卸载应力波及岩爆应力波多次扰动的情况下，裂纹发生大规模瞬时动力扩展的结果，这可以概括为岩爆的岩石动力学机理。卸载扰动在已开挖围岩表面附近将产生P波、S波和Rayleigh波，对围岩扰动最大的是P波和Rayleigh波。P波和Rayleigh波的性质、分布及衰减规律可以较好地解释地应力量级对岩爆的控制及岩爆事件的空间分布等。     

中天山隧道TBM施工对围岩稳定性影响数值计算研究

针对南疆铁路吐库二线中天山特长隧道TBM施工特点,TBM施工对围岩稳定性影响进行了数值模拟计算研究,选取4种围岩情况进行数值建模计算,并根据现场实际情况选取TBM掘进相关参数,通过研究得出TBM工法围岩扰动区小于钻爆法,且围岩级别越低,条件越差,TBM工法与钻爆法的围岩扰动区相比就越小。     

深井巷道掘进围岩演化特征模拟与扰动应力场分析

 深井巷道围岩扰动应力场与开挖扰动区的形成密切相关。然而,受现场地质条件和监测技术制约,尚难以准确获得围岩扰动应力的演化过程。为此,首先通过原位监测得到深井巷道围岩开挖扰动区的演化特征;然后,基于监测结果利用反分析的方式构建能较为准确地模拟围岩开挖扰动区演化特征的数值模型;最后,通过这一模型分析了深井巷道掘进过程中围岩扰动应力场的演化特征。研究结果表明：当工作面未掘进至监测断面时,由于工作面前方岩体空间约束,测点应力值基本没有变化;当工作面掘进过监测断面后,巷道帮部、顶底板的主应力大小和方向均发生了变化;通过对比扰动应力场与原位监测得到的开挖扰动区的演化特征,发现两者的部分演化特征较为相似。     

深埋隧洞开挖围岩应力演化过程监测及特征研究

 由于TBM掘进不同于钻爆法,其对围岩的损伤程度较轻,不会破坏预埋的空心包体应力计,因此可以在现场预先设计位置埋设空心包体应力计,监测TBM掘进过程中围岩的应力变化。首先利用数值方法计算隧洞开挖后的二次应力分布,分析掌子面效应以及围岩的起裂强度,初步确定围岩的松弛区和损伤区范围,在此基础上确定空心包体应力计的埋设位置和开始监测的时间。然后通过试验洞向TBM掘进隧洞钻孔的方法在松弛区和损伤区分别预埋空心包体应力计,并监测从应力开始变化到最后趋于稳定的整个过程。监测结果证明掌子面效应的存在,应力变化开始于掌子面前大约1倍的开挖洞径,掌子面后0.5倍洞径范围内是应力调整最剧烈的区域,并利用空心包体应力计针对裂纹扩展的敏感性分析围岩损伤区范围,最后根据应力计的监测成果验证此处围岩的起裂强度,监测成果和数值计算结果比较吻合。本文的研究成果可以为现场确定损伤区范围和岩体的起裂强度提供参考,为支护设计和支护时机的选择提供科学依据。     

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。     

关于圆形隧道卡斯特纳公式的讨论

隧道围岩的应力及变形是隧道力学中的基本问题,它直接影响到隧道的安全评价及施工支护措施。20世纪50年代提出的卡斯特纳公式,描述了圆形隧道的塑性区半径和塑性区的应力分布规律,公式已成为隧道力学分析的理论基础。以满足莫尔-库伦准则或Mises准则的理想弹塑性材料为例,按照塑性力学加卸载准则,证明了圆形隧道的开挖过程是加载过程,支护过程是卸载过程;对圆形隧道开挖和支护过程进行了弹塑性FLAC有限差分数值计算,同时针对外压和地应力均为0、内压值为支护应力的隧道进行弹性分析。结果表明,围岩的应力分布在开挖后与卡氏公式相符,但在支护后则与卡氏公式不符。弹塑性分析中,支护引起的围岩应力增量及位移增量分别与弹性分析中的应力和位移相同。因此在涉及塑性变形的隧道力学分析中,卡氏公式只适用于开挖阶段,不适用于支护阶段。     

使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷过程的试验系统

 为了实现在实验室进行巷道(隧道)开挖卸荷过程的模拟,获得对围岩试件进行开挖卸荷试验的创新性监测方法与成套试验技术,研制了一套可以使用小型围岩试件模拟与再现巷道围岩开挖卸荷路径的试验系统。该系统主要由3个独立的子系统组成：(1) 系统I：SAM–3000型微机控制电液伺服岩石三轴试验系统;(2) 系统II：小型巷道围岩试件加、卸载腔;(3) 系统III：声波–声发射一体化测试系统。通过对3个子系统进行软、硬件集成与调试,获得了小型巷道围岩试件级别(高290 mm,外径200 mm,内径100～150 mm)的开挖卸荷过程的室内模拟与再现。使用小型巷道围岩试件进行了初步的开挖卸荷试验研究,结果表明,所构建的试验系统可以有效地模拟：巷道围岩的开挖卸荷条件;巷道围岩在开挖卸荷条件下的变形规律、应力分布特征和破坏机制等。     

引水隧洞开挖释放荷载模拟方法的对比研究

岩体工程开挖后的应力调整和变形与施工的具体方法和时空间效应相关,对于开挖边界等效释放荷载的模拟问题,常用的方法有应力释放法和参数弱化法。总结了应力释放法和参数弱化法两种方法的原理和优缺点,考虑在无渗流场和渗流场的两种情况,对一典型引水隧洞开挖问题中释放荷载的模拟,分别采用上述方法进行数值计算和对比分析,并采用其中的应力释放法应用于锦屏深埋引水隧洞施工开挖围岩稳定分析。分析结果表明,等效荷载释放率相同时,无渗流场情况和有渗流场情况均为应力释放法对隧洞周边应力扰动最大,应力释放法和参数间接弱化法计算结果较为相似,直接参数弱化法计算结果与二者相差较大;锦屏隧洞在实际开挖时应该采取措施控制水平方向的等效荷载释放,实际开挖工程中的同一断面不同位置的荷载释放会存在差异,将影响最终开挖损伤区的范围和损伤程度。     

圆形隧道开挖卸荷效应的动静态解析方法及结果分析

针对地下圆形隧道的开挖卸荷效应,基于岩石动力学和弹塑性理论,在求解其动、静态显式解析解方面进行新的尝试。首先,探讨非均匀应力场中圆形隧洞开挖卸荷的力学模型,研究初始应力的分布规律以及卸荷过程的处理方法。基于Laplace变换和留数定理,给出一种计算隧道开挖时围岩响应规律动态解析解的方法,得到线性卸荷条件下围岩应力和位移的解析表达式。其次,考虑岩体的非线性硬化和软化特性,运用弹塑性解析法,推导出围岩应力和位移的静态解析表达式。对比分析动静态解析结果的差异,结果表明：(1) 卸载阶段,惯性力的存在能减少开挖卸荷对围岩的破坏,保持围岩的完整性,故而在动态解析结果中,围岩的扰动范围小,位移小,应力集中系数低,但应力梯度较高。(2) 动态解中,径向应力一直处于压缩状态,而切向应力先拉后压,有利于径向拉裂纹及层板结构的形成。(3) 卸荷速率存在临界值,当卸荷速率达到临界值时,质点的振幅及频率都达到最大值。     

深埋隧洞爆破开挖损伤区检测及特性研究

 通过对锦屏二级辅助洞爆破开挖损伤区的检测和数值计算,比较岩体开挖动态过程(包括爆炸荷载和地应力高速释放)及静态过程(地应力重分布)所分别造成的损伤,探明地应力瞬态释放诱发岩体损伤的机制。检测结果表明,地应力的存在对深埋隧洞爆破开挖损伤区具有较大影响。隧洞轴线垂直于最大主应力时的钻爆开挖损伤明显要大于轴线平行于最大主应力时的情况;可以将开挖损伤区分为内损伤区和外损伤区,其中前者主要由爆炸荷载和地应力高速释放二者耦合作用引起,其主要特征是岩体声波速度显著降低;后者主要由应力重分布引起,特征是岩体声波速度缓慢降低。另外,辅助洞实测的岩体内损伤区深度显著大于外损伤区深度,且内损伤区在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一,声波检测检测和数值模拟计算均也证明了这一点。     

深部软弱地层TBM掘进围岩变形破坏特性室内试验研究

 为了揭示深部软弱地层TBM开挖卸荷围岩变形破坏特性,分析深埋隧道TBM机械开挖卸荷的本质特征为高初始围压下的缓慢准静态卸荷,开展不同卸荷速率下砂质泥岩三轴卸围压试验,研究卸荷速率效应,获取TBM缓慢准静态卸荷围岩变形破坏特性：(1) 缓慢卸荷条件下的峰前应力–应变曲线与常规三轴压缩时较接近,卸荷屈服阶段,岩石产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;(2) 达到峰值强度后,岩石首先沿已贯通的破裂面滑移,发生1～2级规模较小的脆性跌落,随着围压继续缓慢卸除,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生线性应变软化,且线性应变软化过程中伴随多级微破裂;(3) 岩石变形全过程经历弹性变形、峰前卸荷损伤扩容、峰后脆性跌落、含有多级微破裂的线性应变软化以及残余强度阶段;(4) 缓慢卸荷破坏过程中,岩石发生宏观张剪复合破坏,伴有轴向劈裂裂纹,破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿剪切面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。     

深部高应力隧道TBM护盾长度和推力计算方法研究

岩石隧道掘进机(TBM)法开挖长隧道是一种安全、快速、有效的隧道开挖方法,但TBM复杂高应力隧道掘进时易发生卡机事故,因此,TBM在设计之初应尽可能考虑地质环境的影响,降低TBM的卡机风险。通过分析高应力常规地层和高应力软弱破碎地层对TBM的影响,提出了高应力常规地层和高应力软弱破碎地层TBM卡机的两个判据。根据两个判据提出了考虑围岩力学参数的高应力隧道TBM护盾长度设计和推力设计理论计算方法,并给出了参数选取依据。最后依据西南地区某高应力隧道的实际围岩地质参数,计算分析了现有TBM设计的合理性。本研究可为TBM的盾体长度和推力设计计算提供围岩力学参数依据。     

锦屏Ⅱ级水电站深部大理岩板裂化破坏试验研究及其对TBM开挖的影响

针对锦屏Ⅱ级水电站TBM引水洞及排水洞深部大理岩发生的剧烈板裂化岩爆与非剧烈板裂化片帮2种板裂化破坏现象,通过采集该工程区深部大理岩岩样,采用真三轴岩爆试验设备,对其在不同高应力作用下的板裂化破坏现象进行室内试验。通过对试验过程中发生的各种现象的全面描述和试验结果的分析表明,试验中岩样发生的板裂化破坏现象与TBM开挖隧道围岩的板裂化破坏具有很好的吻合性,未来围岩的主要破坏方式将以板裂化片帮与岩爆为主。围岩板裂化破坏将影响TBM开挖运行,分别探讨掌子面与洞壁板裂化破坏对TBM开挖的影响。     

不同开挖方式下深埋隧洞微震特性与岩爆风险分析

在分析钻爆法和TBM法开挖下围岩应力状态的基础上,基于锦屏二级水电站深埋隧洞微震监测数据,对比研究了钻爆法和TBM法开挖条件下深埋隧洞的微震特性及岩爆风险。结果表明:1钻爆法开挖引起的围岩应力集中距洞壁较远,形成的应力梯度较小;而TBM法开挖引起的围岩应力集中临近洞壁,形成的应力梯度较大。2钻爆法开挖时围岩应变能主要集中在爆破后数小时,尤其是在1 h内释放,而TBM法以连续的方式开挖卸载,剧烈的能量释放伴随着施工全过程。3TBM法开挖导致的事件震级及震源破裂尺度均比钻爆法开挖引起的大。4钻爆法开挖时,围岩积聚的应变能大多以岩体破裂的形式耗散,以岩爆形式显现的较少;而TBM法开挖时,围岩应变能常逐次释放,导致事件频繁发生,而且部分应变能以岩爆形式显现,一般地,同一小范围内常多次发生轻微岩爆,高等级岩爆孕育过程中常伴有低等级岩爆,如中等岩爆发生前伴有轻微岩爆,强烈岩爆孕育过程中伴有轻微和(或)中等岩爆,以此类推。综合上述研究结果认为,在具有强岩爆风险的深埋隧洞中,就防治岩爆而言,钻爆法优于TBM法。