深部岩芯饼化现象的应力机制探索

岩芯饼化是深部工程区高地应力现象的典型表现之一,其饼化形貌特征一定程度上可以反映地应力大小与方向。依托世界埋深(2 400 m)最深的锦屏地下实验室,开展现场取样,详细记录不同孔号、孔向的饼化岩芯。基于3维蓝光LED非接触式扫描技术,获得了岩饼断面和侧面离散点精准3维数据,重构了岩饼断面和侧面的精细形貌,观察了岩饼的整体形态及端面错台的分布情况。同时,开展岩饼不同类型形态及不同方向剖面迹线的分形特征研究,并结合数值模型探讨了岩芯残根不同位置应力分布特征对岩芯饼化现象的影响。结果表明:岩饼断裂端面有4种表现形态,其中典型的形态为岩饼周边出现错台和岩饼呈现单侧变薄形态;岩饼端面剖面迹线最大分维值的方向与最大主应力分力方向一致。裂纹扩展可分为两种情况,从岩芯径向向内发展贯穿和从岩芯轴向开展,前者产生一侧偏薄、一侧偏厚的岩饼,后者会产生灯盏状破坏并在断面外围位置出现错台;前者反映了处于三向不等地应力条件下的岩芯裂缝将沿较大主应力方向扩展,后者探讨了钻杆钻进过程旋转和地应力共同作用下产生饼化现象的原因,反映了深部岩芯饼化现象的应力机制。研究结论可望为分辨饼化现象的成因及判识所处工程区地应力环境提供一些有益的参考。     

多次应力波作用下P-CCNBD岩样动态断裂的能量耗散特性研究

为了研究多次应力波作用下岩石的动态断裂破坏规律,采用直径100 mm的分离式霍普金森压杆径向加载直径为160 mm的含预制裂纹人字形切槽巴西圆盘大理岩试样,分别采用裂纹扩展计和普通应变片测定试样裂尖的起裂和扩展过程,分析试样破坏过程中的动态断裂规律和能量耗散特性。结果表明:在0.13 MPa的子弹发射压力下,出现了试样被多次应力波作用形成破坏的试验现象;入射能、反射能和耗散能均随着作用次数的增加而逐渐减小,但是试样的总耗散能却随作用次数的增加而增大;试样的能量耗散率和动态断裂韧度都随作用次数的增大而减小,并且满足近似的线性关系,这有助于理解多次应力波作用下岩石的动态断裂机制。     

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。     

密实砂砾地层盾构刀具磨损分析及优化措施

为了解决盾构在密实砂砾地层中掘进容易造成刀具严重磨损的问题,以国外某穿越密实砂砾地层的城市地铁施工项目为背景,对盾构在区间出洞检修时刀盘刀具的实际磨损情况进行统计,采用对比分析的方法,研究了刀具磨损原因和磨损规律.针对性地提出了盾构在密实砂砾地层中掘进时,通过采用高耐磨性滚刀刀圈、降低中心滚刀启动扭矩等方法来减少刀具磨损的优化措施,为以后城市地铁在类似地层中施工时盾构刀具的选型和设计提供了参考与借鉴.     

煤矿岩巷TBM适应性与新技术发展

全断面掘进机（TBM）在煤矿岩巷掘进逐步得到推广应用，但TBM机型设计适应性不足已成为影响TBM掘进煤矿岩巷掘进效率的主要原因。通过对比分析煤矿巷道常规使用的掘进技术与TBM掘进技术，得出TBM应用于煤矿巷道掘进时必须考虑巷道围岩条件的差异化和需求特殊化。煤矿TBM的设计要基于机型的特点，结合煤矿岩巷的施工条件进行设计。针对煤矿岩巷工程的施工难题研发出了特有的“V型推进”系统，实现巷道小转弯半径施工；采用与TBM配套的“超前探测”技术进行超前地质预测，通过强化TBM的初期支护能力、加强脱困能力等设计来应对不良地层；基于“排水+堵水”处理思路，形成TBM掘进巷道的超前注浆封堵方式的防突水技术；通过在TBM刀盘、盾体内搭载的气体实时监测系统，开发了TBM巷道防瓦斯突出技术；进行了高地温施工环境下，TBM关键部件冷却、刀盘喷雾通风等针对性设计。创新技术在“贵州贵能聚鑫煤矿”、“四季春煤矿”、“平煤首山一矿”、“山西惠源煤矿”等矿井进行了应用并取得成功。随着煤矿未来开采所面临的更复杂严峻的工况，矿用TBM未来也将朝着强机动性、地质适应性、支护多样性、设计系列化、行业标准化、掘进体系智能化等方面...     

适应复杂多变地质隧道双结构TBM研制与应用

川藏铁路隧道建设面临着高原高寒、地形高差大、地质条件复杂等方面严峻挑战，应用全断面隧道掘进机（Tunnel Boring Machine）是高效建成川藏铁路隧道的有效途径之一，但常规TBM已无法满足复杂地质多变隧道施工要求。为保障TBM安全、高效施工，提出了一种适应极端复杂地质环境的新型双结构TBM，首先，探讨了不良地质下传统TBM的适应性，分析了敞开式TBM在极端复杂地质环境下隧道变形机理；进一步地，针对不良地质下敞开式TBM施工痛点，基于常规敞开式TBM结构，开展了预留超前地质预报接口、主机结构增强、强化支护能力和清渣能力、释放地应力、安全防护措施等一系列创新性设计，并建立了常规地质“网-喷-锚”敞开支护和不良地质“钢管片-辅推”封闭支护的双结构支护体系；最后，依托于色季拉山项目，评价了双结构TBM在不良地质条件下的适应性，现场整体掘进率表明，应用效果良好。对于解决TBM复杂地质条件下施工有一定的借鉴意义。     

测试岩石抗拉强度双圆环试样构型和尺寸优化研究

针对岩石抗拉强度测试所采用的双圆环试样易产生应力集中导致测试值偏小的问题，提出了一种新构型试样.采用ANSYS有限元软件模拟计算了121个含有不同内外圆环切割深度的双圆环试样的受载应力分布情况，分析了切割深度对试样受拉区和应力集中区的影响；在GCTS岩石力学试验机上测试了16个双圆环砂岩试样的抗拉强度值，并与巴西劈裂法的测试值进行了对比研究.结果表明：试样受拉区轴向变化曲线呈现出“双峰值现象”,两应力集中区的极值差随切割深度变化的等高线图为扇形分布图，零点线的斜率约为0.3;环形受拉区和应力集中区的峰值应力受切割深度影响显著，区域内峰值差异大是测试值偏低的主要原因；当双圆环试样的尺寸采用内圆环切割深度为4～8 mm,外圆环切割深度为14～16 mm时，应力集中区的平衡因子不超过2%,此时，额外弯矩对受拉区的影响较小，应力分布较均匀，能够实现最佳压拉转换，基于该尺寸双圆环试件得到的抗拉强度测试值接近巴西劈裂法，但标准差更小，能够相对准确地测试岩石的抗拉强度.     

采空区影响下穿层巷道变形特征及支护技术研究北大核心

针对梁北矿在采空区下近距离掘进-550 m水平东翼开拓巷道围岩不易稳定的问题,采用数值模拟方法分析了相邻2个不同时间开采的工作面形成的采空区和煤柱对开拓巷道附近围岩的应力分布规律和变形特征;并基于多层次耦合承载结构的支护原理,给出了相应的变形控制对策和支护方案,在现场进行了应用。研究结果表明:随着工作面的推进,采空区底板岩层原岩应力恢复区由采空区中部向四周扩散,塑性破坏区呈“倒马鞍”状分布;穿层巷道受邻近未稳定采空区垮落岩层逐步压实扰动过程产生的应力和煤柱应力集中产生的影响,塑性破坏区呈非对称分布。基于巷道围岩破坏形成破碎区、塑性区和弹性区的分区特征,提出充分利用内外承载体形成多层次耦合承载结构的支护对策;采用“高强锚网索+浅深部围岩分次注浆+喷浆”多层次耦合控制技术,在现场取得了良好的应用效果。