秦岭深埋引水隧洞地应力综合测量及区域应力场分布规律研究

首次将三维水压致裂法和常规水压法应用于秦岭近1 000 m埋深引水隧洞地应力场研究,并对2种方法所得结果进行对比分析,结果表明:2种方法所测最大水平主应力范围主要为20～31 MPa,量值基本一致;最大水平主应力方向集中为NW～NWW向,印证了三维水压致裂法地应力测试结果的可靠性。最大水平主应力方向在隧洞深埋洞身段近EW向,与该区域内古残余构造应力分布相符,进一步反映了秦岭区域应力场的复杂性。同时,结合实测结果及隧洞围岩力学参数,对深埋隧洞开挖后应力重分布范围、测试部位的应力水平等问题进行分析和评价。最后,概括了秦岭区域地应力场分布规律,并绘出地应力实测结果分布图,这对于深入了解秦岭区域构造演化规律及科学指导越岭工程的设计和施工都具有重要的理论价值和实践价值。     

长大深埋隧道工程区地应力状态预测与实例分析

深埋隧道工程区地应力场的预测一直是工程技术人员所需迫切解决的难题。针对此问题提出了解决方案,即利用世界应力图、中国大陆地壳应力环境数据库以及前人研究成果可获得工程区应力场方向的初步认识,同时还可以利用Anderson断层力学理论分析工程区可能的主应力方向。在获得原地应力实测资料后,利用较为翔实的工程地质资料基于Hoek-Brown强度理论估算工程区范围内的岩体强度,然后利用修正Sheorey模型和数值模拟手段开展工程区深埋区域的地应力状态的预测分析。某水电站工程区位于青藏高原西缘。3个钻孔的水压致裂原地应力实测数据显示三向主应力之间的关系为S_H>S_h>S_V或S_H>S_V>S_h,表明最大水平主应力占主导地位,水平构造作用力明显。实测所得到的测区最大水平主应力方向为NEE向（N70.3°—89°E）;而世界应力图给出的区域应力场方向为NE向。通过修正Sheorey模型对深埋引水隧洞沿线的工程区应力状态进行了预测,结果显示,埋深最大的地方,最大最小水平应力值分别为56.70,40.14 MPa。     

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。     

N-J水电站引水隧洞大变形段长期稳定性分析

深埋软岩隧洞围岩蠕变特性将会对隧洞的长期稳定性产生重要影响。以巴基斯坦N-J水电站深埋引水隧洞的泥质粉砂岩为研究对象,通过室内的三轴蠕变试验,建立了适用于该岩石的幂指数蠕变模型。通过对大变形段围岩变形监测结果的反演分析,得到了围岩体的蠕变参数,并基于此对引水隧洞软岩大变形段的长期稳定性进行了分析。结果表明,引水隧洞运营10年后,围岩的拱顶下沉增量为20.3mm,水平变形增量为18.1mm,衬砌的受力主要以压应力为主,最大压应力达到了63.4 MPa,主要出现在拱顶和拱腰部位,出现了局部的受压破坏,为保证隧洞安全,需在拱顶和拱腰部位进行加强支护。     

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。     

引汉济渭工程秦岭区深埋隧洞地应力场研究

为了研究引汉济渭工程中秦岭深埋隧洞地应力分布规律,以便为隧洞设计及施工提供依据,在重要工程部位进行了三维水压致裂法的地应力测试工作。测试结果表明:测试部位最大水平主应力为19.5～31.4 MPa,大于自重应力,说明地区是以水平应力场为主导;最大水平主应力方向集中为NW～EW向。结合实测结果及隧洞围岩力学参数可知,工程测试区域隧洞洞身段属于高～极高应力区。最后,从地应力的角度讨论了隧洞轴线的选择,并采用常用的Russenes判别法和Turchaninov判别法对洞室围岩进行了施工期岩爆预测分析。     

考虑渗流-应力耦合效应的深埋引水隧洞衬砌损伤演化分析

高地应力和高(外、内)水压力是影响深埋引水隧洞围岩稳定性及衬砌结构安全性的主要因素.基于等效饱和多孔介质理论,将裂隙岩体和衬砌混凝土视为具有透水特性的弹塑性损伤材料,并考虑各自的变形特性与渗透系数的动态演化规律,进行锦屏二级水电站深埋引水隧洞围岩与衬砌结构施工期和运行期渗流-应力全耦合分析.分析结果表明:施工期隧洞周边排水对开挖损伤区影响较大,内水外渗现象对地下水位和围岩结构的安全性影响不大,但内水外渗情况下隧洞的开挖损伤区对衬砌结构较为不利,将导致该部位混凝土出现拉损伤区和压损伤区,应对开挖损伤区采取一定的处理措施.     

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。     

复杂地质条件下大埋深隧洞衬砌与围岩协同作用#br# 物理模型试验研究

围岩-支护协同作用是地下工程支护结构设计的核心问题,关乎着地下工程建设的成败。为揭示深埋隧洞围岩与支护结构协同作用机理,以滇中引水最大埋深约1512m的香炉山隧洞为研究背景工程,首次开展复杂地质条件下深埋隧洞衬砌与围岩协同作用真三维地质力学模型试验,真实再现隧洞开挖与支护的施工全过程。模型试验研究表明：1）不同地质条件下隧洞围岩的应力释放过程不同,硬岩隧洞围岩应力释放速率先慢后快,软岩隧洞应力释放速率先快后慢;2）不同地质条件下隧洞衬砌与围岩接触压力的分布形式不同,硬岩隧洞最大接触压力位于拱肩,软岩隧洞最大接触压力位于拱顶;3）衬砌与围岩协同作用包括两种应力释放机制、3个施工阶段和4种承载状态;4）不同地质条件下隧洞衬砌施作后围岩和衬砌承担的荷载比例不同,硬岩隧洞围岩平均承担约85%的荷载,衬砌约承担15%的荷载,软岩隧洞围岩平均承担约25%的荷载,衬砌承担约75%的荷载。     

滇中引水工程香炉山隧洞地应力特征及其活动构造响应

滇中引水工程香炉山隧洞埋深大、距离长且处于复杂的构造地质环境中。为查明其地应力分布特征,统计分析了隧洞沿线10个钻孔的水压致裂法地应力测试成果。3个主应力关系主要表现为SH>SV>Sh,反映了隧洞沿线以走滑性质为主的构造特征。工程区浅部地层的应力大小主要受地层岩性与断裂带影响。一方面坚硬岩体的水平主应力明显大于软质岩体;另一方面断裂带的发育致使隧洞沿线的应力水平相对较低,同时断裂带局部区间力学性质的差异导致浅部地层水平主应力呈现出较大离散性。香炉山隧洞最大水平主应力的测试方向主要分布在NNE-NEE向,与隧洞沿线一系列全新世活动断裂走向及区域构造主压应力方向趋于一致,响应了研究区震源机制解特征和楔形块体的运动特征。基于实测应力数据和断层滑动理论,隧洞沿线活动断裂目前处于相对稳定状态,而鹤庆-洱源断裂更为接近断层滑动的临界条件,随着应力的不断积累其稳定性情况值得进一步关注。     

金甬铁路鲍村特长隧道初始应力场特征及岩爆预测分析

金甬铁路鲍村隧道长度长、局部埋深大,具有较高建设安全风险。隧址区初始地应力场是影响围岩稳定性的重要因素,是隧道工程的设计及施工的主要依据之一。根据现场实测地应力值,利用FLAC3D进行多元线性回归,反演出隧道初始地应力场,并利用FISH编程计算隧道岩爆分级,结果表明:反演结果与地应力实测结果拟合度较高,计算结果较为可靠;该区地应力场为σ_H≥σ_h≥σ_v型;中主应力值为3~11MPa,随里程增加而呈降低趋势;水平最大主应力值在10~18MPa之间,方向多与隧道轴线呈小角度相交,对隧道围岩稳定性有利;鲍村隧道岩爆级别系数低,开挖中岩爆危害小。     

缓倾层状隧道围岩挤压变形分级与控制分析

针对高地应力环境下缓倾层状隧道围岩的挤压变形问题,以云南昭乐高速轿顶隧道为工程背景,通过已开挖洞段底板的水压致裂试验,反演了初始地应力场;基于强度应力比大变形分级标准,对围岩挤压变形情况进行了预测分析;最后结合现场围岩变形破坏特征,探讨了深埋缓倾层状围岩挤压大变形的控制措施。研究表明:在测量深度范围内,水平主应力和垂向应力均随深度线性增加,最大水平侧压系数为1.52~1.80,最小水平侧压系数为0.91~1.10,即工程区内水平应力占主导作用,且最大水平主应力方位为NW294°,与区域构造应力场主压应力方向基本一致;测试区段内围岩的强度应力比均小于4,即围岩初始地应力均处于极高地应力状态;强度应力比计算结果表明,围岩的变形以轻微(Ⅰ级)至中等(Ⅱ级)大变形为主,但考虑到缓倾层状节理发育,且部分区段围岩极为破碎,有很大可能出现强烈(Ⅲ级)大变形;双层初支与注浆加固能有效控制拱顶沉降与仰拱隆起。     

Mine-by试验洞开挖过程中围岩应力路径与破坏模式分析

 地下洞室开挖过程中,围岩经历了复杂的应力路径,正确刻画围岩的应力路径及其影响是岩石地下工程中亟待解决的关键科学问题。基于起裂判据(CIC)、扰动应力比( )和Lode参数等力学表征指标,采用FLAC3D对Mine-by试验洞掌子面掘进过程中围岩的复杂应力路径和破坏模式进行探讨。研究表明：围岩应力场的扰动主要集中在掌子面前后一倍洞径范围内,围岩损伤受掌子面附近高度集中的偏应力和应力主轴旋转支配;随掌子面掘进,围岩顶部和底部偏应力集中程度加大,应力比n逐渐降低,逐步形成V型剥落,而隧洞边墙部位逐渐卸荷,损伤破裂转变为拉应力控制;原位岩体的应力路径涉及应力主轴旋转效应,远比实验室的单调加载路径复杂,Mine-by试验洞开挖过程中,在掌子面的顶部和底部,围岩大主应力方向几乎没有转动,而中主应力和小主应力旋转一定角度(35.2°)后回到初始方向,由于中主应力超过了岩体起裂强度(CIC＞1),其方向的旋转加剧了围岩的损伤程度。相关认识和结论具有一定的理论和工程意义。     

考虑中主应力和剪胀的深埋圆形隧道黏弹塑性蠕变解

深埋圆形隧道的开挖支护是与时间相关的复杂力学过程。为了描述这一过程,假设隧道围岩为Burgers体与Drucker-Prager准则组合的黏弹塑性模型。隧道开挖支护完成瞬时围岩表现为弹塑性,此时考虑中主应力的影响,推导出原岩应力和支护反力共同作用下的应力场;随后,假设此应力场保持不变,隧道围岩表现出随时间变化的蠕变性能,进一步推导出深埋圆形隧道考虑剪胀性能的围岩蠕变位移解析式;结合实际算例,分析围岩剪胀角与支护反力对深埋圆形隧道围岩蠕变位移的影响规律。结果表明,剪胀角的变化会对隧道围岩蠕变位移产生较大影响,而支护反力并不能完全控制高地应力作用下的深埋隧道围岩位移随时间的持续增加。     

深埋巷道地应力测量及围岩应力分布特征研究

 基于淮南矿务局潘一矿的水压致裂法地应力测量结果及围岩应力分布特征研究,可以得出如下初步结论：(1) －790 m高程东翼矸石胶带机大巷区地应力以构造应力场为主,其最大原岩水平主应力值大于28.33 MPa,岩石单轴饱和抗压强度与最大水平主应力比值为5.82,属高应力区;(2) 在高地应力作用下巷道围岩塑性区从洞周向深部逐渐扩展,同时围岩应力也在塑性区向纵深方向逐渐增大,受围岩弱化的影响,围岩应力在约2倍洞径处应力达到最大值,然后再降低并趋于原岩应力;(3) 底板轨道大巷对顶板围岩应力分布的影响范围大于6倍洞径,远远超过根据传统弹性力学计算的3倍洞径影响范围。研究表明,深埋巷道围岩应力分布特征有别于传统的浅埋巷道,可为类似巷道围岩的变形破坏机制分析以及巷道加固支护提供参考。     

锦屏二级水电站引水隧洞围岩稳定分析及支护设计

锦屏二级水电站引水隧洞地处高山峡谷地区,埋深大、洞线长,高地应力、高外水压力问题突出。按照围岩是地下工程中主要的承载结构这一设计思想,应用弹塑性有限元法分析了锦屏二级水电站引水隧洞开挖及支护过程中围岩的变形规律与特征、围岩应力分布及其变化规律、塑性区范围,比较研究了不同渗控方案对隧洞围岩和衬砌的工作状态的影响,得出了一些对高地下水位条件深埋引水隧洞的支护设计有普遍意义的结论。     

川藏铁路雅安至新都桥段地应力特征及工程效应分析

拟建的川藏铁路雅安—新都桥段地处川滇藏构造交汇区,地应力场复杂,针对该区现今地应力场的研究有助于川藏铁路的科学建设。基于水压致裂法地应力实测数据,对川藏铁路雅安—新都桥3个区段(雅安—泸定段、泸定—康定段和康定—新都桥段)的地应力特征和分布规律以及其工程效应进行分析。研究结果表明:(1)主应力值随埋深具有较好的线性关系,3个区段的最大水平主应力增加梯度分别为3.9 MPa/(100 m),2.7 MPa/(100 m),3.6 MPa/(100 m),其中雅安—泸定段的增长梯度最大,埋深1 300 m时实测最大水平主应力值大于51 MPa。(2)最大水平主应力方位以NW向为主,这与该区现今构造作用方向一致。受峡谷地形及区内断层的控制和影响,个别测点最大水平主应力方位呈NE向。(3) 3个区段的侧压力系数均大于1,说明该区主要受水平挤压构造为主。而3个区段埋深小于300,350和500 m的段落侧压力系数最大值分别为1.7,2.3和3.0,说明浅埋段的地应力还受到高山峡谷地形的控制及斜坡应力场的叠加影响。(4)从最大水平主应力方向与隧道轴线夹角对围岩稳定的影响来看,川藏铁路雅安—新都桥段的线路布设总体是合理的。仅在跑马山隧道出口端、康定隧道出口端和折多山隧道深埋段(埋深1 000 m左右)存在对围岩稳定不利的情况。(5)隧道Ⅱ,Ⅲ级围岩岩爆以轻微和中等岩爆为主,深埋段(雅泸段埋深超过870 m、泸康段埋深超过1 140 m、康新段埋深超过930 m)的硬岩可能发生强烈岩爆。(6)隧道Ⅳ,Ⅴ级围岩大变形以轻微、中等和强烈大变形为主。雅泸段Ⅳ级围岩埋深超过1 330 m、Ⅴ级围岩埋深超过940 m,泸康段Ⅴ级围岩埋深超过1 410 m和康新段Ⅴ级围岩埋深超过960 m后,可能发生极强大变形。     

厦门翔安海底隧道开挖围岩应力与位移监测分析

针对海底隧道开挖后的复杂受力状况,采用围岩变形控制理论作为隧道施工工艺的安全控制标准.在厦门翔安海底隧道的A1标段主隧道F4风化深槽施工现场,埋设应力盒与多点位移计,对隧道开挖后围岩应力与位移进行测试,分析围岩应力与位移规律的非线性关系,在此基础上对围岩稳定状况做出初步评价,认为工程所采用的先注浆、后爆破开挖的施工工艺切实可行.