川藏公路二郎山隧道高地应力与岩爆问题研究

 博士学位论文摘要　通过两组钻孔应力解除法地应力实测和6 组地应力Kaiser 效应测试, 查明了工程岩体内的空间应力状态为潜在走滑型, 其中R1 方向为N 66. 9°～ N 85°W , 它与水平面的夹角介于20°～ 40°之间, R1max 为35. 3M Pa。岩体应力场数值模拟结果进一步表明, 研究区单斜层状各向异性岩层在自重应力和一定量级的NWW 向区域构造应力(8. 9M Pa) 共同作用下, 结果在隧道中部相对坚硬完整、弹模值较高的砂岩、粉砂岩、灰岩、部分砂质泥岩和软质岩层内的硬脆性夹层中形成了相对意义上的高地应力; 此外, 发育产状为N 40°～ 60°W öN E∠60°～ 85°的次级断裂构造(ESR 测年值为55×104 a) 两侧10～ 20m 距离以外地段, 由于其后期张扭性构造活动, 也普遍存在着可以导致岩爆发生的局部高地应力现象。岩爆类型划分研究中, 首先根据高地应力的成因, 将岩爆类型划分为自重应力型、构造应力型、变异应力型和综合应力型四大类; 然后依据具体应力条件, 并结合岩爆特征等内容, 再将岩爆划分成8 个亚类。岩爆烈度分级研究中, 突出了现场容易判别的岩爆标志, 主要依据岩爆声响、运动特征、岩块形态特征、断口特征、发生部位、时效特征、影响深度以及对工程的危害性等内容, 将岩爆烈度划分为轻微、中等、强烈、剧烈四级(RM S 方案)。通过现场跟踪调研、岩爆断口扫描电镜分析、岩爆岩石力学试验研究, 岩爆力学机制大体上可归纳为压致拉裂型、压致剪切拉裂型、弯曲鼓折(溃屈) 型等三种基本方式, 也可以多种组合方式出现。不同的破裂机制不仅与围岩应力状态有关, 而且也与岩体的性能和结构构造、开挖条件等诸多因素有关。根据施工中记录的200 多次岩爆资料, 详细总结了该隧道岩爆发生的基本规律, 并且采用“地质超前预报法”、“RHöR b 判据现场测定预报法”这两种较为实用、有效的方法, 对其岩爆预报问题作了有益的探讨。最后提出了与RM S 方案相对应的各级岩爆防治措施, 并且取得了良好的应用效果。     

高地应力区隧洞施工岩爆防治技术例析

本文以锦屏二级水电站引水系统引水隧洞洞群施工中岩爆防治技术应用为例,详细阐述了岩爆的形成及岩爆防治的措施,为高地应力区隧洞施工岩爆防治提供了宝贵经验。     

基于岩爆倾向性的高黎贡山深埋隧道岩爆预测研究

岩爆的预测研究一直是地下工程的世界性难题之一,岩爆倾向性是岩爆发生的一个重要条件。本文以大瑞铁路高黎贡山深埋隧道为例,在野外地质调查和室内岩石力学实验测试分析的基础上,计算分析了高黎贡山深埋隧道花岗斑岩岩体的弹性应变能指数WET、岩石脆性系数B和最大储存弹性应变能指标Es等岩爆倾向性指标。在ANSYS软件平台上,进行了...     

高地应力区公路隧道不同围岩类别的变形特征及应用实践

以川藏公司二郎山隧道工程实践为典型实例,依据施工地质围岩分类,分析了高地应力区公路隧道不同围岩类别的变形特征,为围岩稳定性评价和支护措施优化提供了信息。     

高地应力隧道支护参数优化设计研究

依托某在建高速公路项目,开展高地应力隧道支护参数优化设计研究。对试验段隧道拱顶沉降以及水平收敛进行现场监测,结果表明：采用以工字钢为支护骨架的单层初支不能控制高地应力隧道的大变形,主要表现为拱架破坏、混凝土剥落;采用“双层初支”在一定程度上可控制大变形;增加内层支护的刚度在一定程度上减小“双层支护”的累计变形量,但无法大幅度缩短变形稳定周期;适当增加内外层初支之间的预留变形量支护效果最佳,累计变形量较小同时变形稳定周期缩短。     

高原铁路应力岩爆隧道施工关键技术研究

高原铁路应力隧道工程极易发生岩爆危害,造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏,以及人员伤亡等事故,因此在岩爆段开展施工时,需加强超前地质探测,积极主动的采取预防措施,确保岩爆路段施工安全。文章以某高原隧道工程为例,通过对该隧道结构中发生岩爆的特征进行分析,从监测预警、施工以及防护几个不同的角度,分别阐述所涉及的关键施工技术,以期将岩爆发生的可能性及岩爆的危害降到最低。     

深埋长大公路隧道高地应力岩爆和岩溶涌突水问题及对策

对二郎山和华蓥山隧道在建设过程中的高地应力岩爆与岩溶涌突水问题进行了研究，概述了二郎山隧道地应力场，岩爆及围岩变形的监测预报，并对华蓥山隧道岩溶涌突水的特征，原因及对隧道的影响进行了研究：提出了岩爆和涌突水的防治措施，并予以实施。     

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。     

高地应力软岩隧道断面优化研究

高应力软岩隧道如开挖和支护方案不合理围岩很容易出现大变形,严重的还会出现隧道坍塌,严重影响施工安全和施工进度。本文针对大埋深软岩隧道的合理开挖断面、合理施工工序、支护参数进行了深入研究。优化后的方案改善了断面仰拱位置的几何奇异性,使得开挖断面更加的平滑,使衬砌的受力更加均匀。优化后的方案在尽量不增加开挖面积的前提下,增加了仰拱的深度,很好的控制了围岩的竖向收敛,从而有效地控制了围岩塑性区的发展。从计算结果可以看出,优化断面在开挖面积仅仅增大6.8%的情况下,可以使得隧道的竖向收敛减少33.1%,衬砌最大拉应力减少35.1%。     

高地应力软岩隧道合理施工工法研究

以宜昌—巴东段的几座软岩特长隧道为例,针对隧道埋深大、围岩超过50%为软弱易流变的粉砂质泥岩、泥质灰岩、页岩等特点,通过对高地应力软岩隧道合理施工工法的研究,分析了高地应力软岩隧道合理的施工工法,为今后类似工程的建设提供有益的借鉴。     

某隧道工程地应力及岩爆研究

根据隧道水压致裂法地应力测试研究的结果,对测试区域的地应力水平及隧道围岩稳定性做出了评价,并根据地应力条件和岩石强度参数,采用强度理论对隧道发生岩爆的可能性进行综合评价。     

深部巷道地应力测量及岩爆倾向性分析

采用岩石声发射Kaiset效应法对工程岩体原岩应力场进行了测试,结果表明,工程岩体部位应力水平较高,以构造应力为主。利用所测得的地应力场数据,通过三维有限元反演工程区的初始应力场,在初始应力场和隧道围岩岩石力学性质研究的基础上,结合巷道断面开挖数值分析结果和现有岩爆判别准则,对巷道岩爆的倾向性进行预测,为制定合理的开挖支护方案提供依据,在岩爆预测理论和工程应用方面具有很好的参考价值。     

基于工程岩体起裂判据的岩爆破坏区研究

随着深部地下工程的兴建,岩爆发生的概率大大增加,工程建设中常遇到的岩爆类型为应变型岩爆,确定岩爆破坏区范围和深度对地下工程支护设计和施工安全有着重要的指导意义。本文根据秦岭终南山混合片麻岩单轴压缩变形实验结果,采用裂纹体积应变法和侧向应变响应法,得到混合片麻岩的裂纹起裂应力。在分析混合片麻岩的起裂机制基础上,建立了基于裂纹起裂应力的工程岩体起裂判据,并根据围岩二次应力Kirsch计算公式,采用弹性理论推导了岩爆破坏区范围和深度的计算公式。岩爆破坏区的计算结果与秦岭终南山公路隧道2号通风竖井实际情况有很好的一致性,对类似地下工程有一定参考价值。     

交叉隧道围岩收敛和应力分布规律研究

交叉隧道数值模拟的研究很多,由于Y型隧道的设计施工复杂,目前还没有人进行数值研究。以南梁隧道中两条单线隧道合并为一条双线隧道的Y型交叉为背景,首先根据非线性Hoek-Brown准则得到岩体参数,然后用FLAC-3D根据该交叉段的施工方法进行三维数值计算,在不同的位置布置不同的观测面,探讨了单线隧道合并为双线隧道过程中各个观测面的变形破坏规律。综合多个观测面分析隧道开挖引起的位移、应力变化发现:随着单线隧道距离缩小,相互影响加剧,围岩压应力拉应力加大,位移变大,并且增加幅度渐渐变大,变化幅度最大为44.8%,合并为双线大概15 m后位移和应力都趋于稳定。     

某坑道破坏特征的地质力学模型实验研究

应用相似理论,采用地质力学模型实验对坑道破坏特征进行了研究。模型实验采用自行研制的模型材料、加载系统和约束维护结构,通过对地层物理力学指标、地应力场、洞室开挖过程等的模拟,研究了土体坑道的破坏形态。采用微型高精度位移量测技术和应力量测技术等,对坑道在开挖和超载破坏过程中的位移和应力变化情况进行了量测,通过数据分析对坑道开挖与加载破坏过程中的围岩应力分布有了初步认识,并对模型地层中坑道破坏的内在机理进行了探索。     

双护盾TBM施工隧洞岩爆特征微震监测研究

为了研究深埋隧洞在双护盾TBM施工环境下的岩爆特征,以某公路隧道为例对微震监测成果进行了统计整理,并在此基础上分析了微震事件与掌子面位置、岩体完整性以及隧洞埋深等之间的相关关系,获取了该工程岩爆事件发生的规律。成果表明,在隧洞采用双护盾TBM开挖过程中岩爆事件并非主要集中在掌子面附近,岩爆存在一定的延迟性和超前性,岩爆发生与开挖过程的时间效应及距离范围存在一定规律。同时,岩爆的能量等级和发生频次与岩体结构及隧道埋深也存在关联性。深埋隧洞在双护盾TBM施工环境下的岩爆规律的研究对类似工程具有一定的借鉴意义。     

引汉济渭工程黄三隧洞地应力测试研究

通过地应力现场测试,研究引汉济渭工程黄三隧洞地应力场特征。首先介绍水压致裂法基本原理,然后分析现场测试结果得到了水平主应力量值和最大水平主应力方向,讨论了地应力场特征及地应力对隧洞轴向选择的影响。测试区域内,地应力属于中低应力水平,σ_Hσ_hσ_Z;地应力方向在浅部符合河谷区应力分布一般规律,深部主要受区域构造应力场影响。从地应力角度分析,隧洞轴线选择方向对围岩稳定较为有利。     

有压圆形隧洞围岩径向裂纹应力强度因子研究

为研究隧洞围岩周边径向裂隙的水力劈裂问题,利用复势法分别给出了高水压和构造应力两种因素作用下围岩径向裂隙应力强度因子的解析公式。研究表明:在压应力构造应力场中,构造应力只主导裂隙的Ⅱ型扩展,围岩孔隙水压力只主导裂隙的Ⅰ型扩展;侧压力系数和构造主应力与裂隙夹角是影响裂隙Ⅱ型扩展的重要因素。研究结论对于进一步研究高水压和构造应力对径向裂隙的水力劈裂效应具有重要的参考价值。     

地应力对深大竖井稳定性影响研究

长大公路隧道通风竖井通常建设在地应力作用的岩体区域,地应力状态是影响竖井工程稳定性最重要的因素之一。为探明高地应力状态对深大竖井围岩的应力演化和变形规律的影响,依托米仓山特长隧道通风竖井工程,采用数值模拟对不同应力系数的竖井施工过程进行分析,研究了不同应力条件下大断面竖井沿不同深度的围岩应力特征及径向位移规律。研究结果表明:相差较大地应力系数对围岩位移分布规律产生较大影响;围岩径向位移与围岩级别及竖井深度呈正相关性,围岩级别变差比竖井深度增大对围岩径向位移的影响更为明显;但当竖井深度超过200 m时,随地应力系数增大竖井径向位移速率急剧增大;不同围岩级别条件下随竖井深度和应力系数的增大,径向应力和切向应力都呈增大趋势,但增大趋势较平缓;研究成果可为类似竖井工程的科研、设计和施工提供参考。     

层状泥岩隧道锚围岩滑动破坏特性研究

为了研究层状泥岩隧道锚围岩滑动破坏的特性,通过隧道锚1∶10现场缩尺模型进行加载破坏试验,分析加载过程中模型锚系统的地表变形、深部岩体变形、地表破坏裂缝,得到了在加载破坏过程中围岩的荷载-变形曲线和破坏特征,并结合数值计算结果进行分析。研究结果表明:荷载加载到3.5P(P为设计荷载)后岩体开始进入破坏屈服阶段,出现在地表的裂缝形成倒U型破坏轮廓线,位于前锚面正上方的典型裂缝(a)贯穿整个裂缝群,从而推断出上滑移层位置,深部岩体在深度为7.67 m的位置发生较大错动,且错动的方向与锚体成约17°的夹角向前,可推断出下滑移层位置,且围岩的破坏模式是拉剪破坏,两滑移层面内围岩变形较明显且塑性破坏大部分位于这两条滑移面之间。