高应力大直径圆筒形洞室围岩变形破坏特征与失效机制

针对高应力大直径圆筒形洞室出现的岩爆、喷层开裂和钢绞线弹出等变形破坏现象,通过现场破坏调查、岩体位移和锚索应力监测,详细说明了围岩变形破坏的发展演化过程,并通过钻孔摄像观测了围岩内部破裂特征,进而总结了围岩变形破坏的演化模式。通过数值模拟揭示了洞室围岩变形破坏机制,并提出了合理的支护建议。高应力大直径圆筒型洞室变形破坏是一个链动灾害过程,围岩内部开裂导致了岩体位移和锚索荷载增加,锚索荷载超限时钢绞线断裂弹出,失去约束的洞壁围岩和喷层在卸荷作用下鼓胀开裂。高初始地应力和开挖后诱发的应力集中,玄武岩起裂强度低,临近洞室开挖诱发应力叠加,应力集中区支护强度较弱等综合因素导致了围岩内部开裂的产生。在洞室围岩应力集中区设置足够的预应力长锚索和合理的张拉力,可以有效减弱围岩内部破裂深度和程度。     

白鹤滩大型地下厂房开挖围岩片帮破坏特征、规律及机制研究

 在建的金沙江白鹤滩水电站地下厂房开挖规模巨大,其复杂地质条件和高应力导致围岩破坏现象突出。针对左、右厂房第一层开挖过程中曾频繁遭遇到的围岩片帮破坏问题,结合地质、施工、测试、试验及数值分析资料,全面总结和深入分析玄武岩片帮机制。首先,归纳和总结地下厂房围岩片帮破坏的基本特征与规律,包括其表现形式、形态特征、空间位置、破坏规模、滞后规律、破坏发展特征、对应岩性及支护特征等主要信息;进而重点探讨厂区地应力、岩体结构、岩性、施工因素等对围岩片帮的影响规律;最后,综合分析揭示片帮的形成与发生机制。该研究可为白鹤滩水电站地下厂房后续开挖过程中围岩片帮破坏的预防和调控提供重要支撑,也可为同类高地应力条件下大型地下洞室类似围岩破坏的防控提供参考。     

白鹤滩柱状节理岩体几何结构特征与卸荷松弛特性分析

针对白鹤滩水电站柱状节理岩体陡峭结构面发育和卸荷开挖过程中垮塌与掉块问题突出的工程难题,在深入开展柱状节理岩体结构特征现场调查基础上,阐明了柱状节理岩体较为特殊的柱体状结构面网络、不规则多边形断面原生节理等特征及其形成原因,并通过现场钻孔摄像和声波测试揭示了柱状节理岩体在开挖卸荷后的岩体卸荷松弛和结构面开裂特性,并在此基础上探讨了柱状节理岩体的支护参数与开挖方案,其研究成果可为同类工程岩体开挖与支护设计借鉴。     

爆破荷载下白鹤滩大型地下厂房累积损伤机制研究

白鹤滩水电站大型地下厂房爆破开挖过程中脆性破坏频发，采用微震监测、多点位移计、锚杆(索)测力计等多种原位监测设备，全面揭示大型地下厂房爆破开挖卸荷下脆性玄武岩的力学响应行为。原位综合监测结果表明，多次爆破开挖后，围岩破裂、变形和应力均发生了一定程度的增长。进一步分析证实，围岩变形与其内部微破裂具有协调性，即爆破荷载作用下岩体逐步开裂，岩体经历裂纹压密、微破裂萌生、破裂扩展等连续破裂阶段，同时伴随围岩变形的增长。基于能量指数和累积视体积的微震参数预警方法，能够有效预警围岩宏观破坏的风险。研究表明，监测爆破荷载诱发的“破裂-变形-应力”演化信号对高应力硬岩地下工程施工方案优化及地质灾害预警具有重要的指导作用。     

高应力下大型硬岩地下洞室群稳定性设计优化的裂化–抑制法及其应用

针对高应力下大型硬岩地下洞室群突出的围岩灾害性破坏问题,在多个深部/高应力地下洞室群开挖方案与支护参数优化研究及实践基础上,提出高应力下大型硬岩地下洞室群稳定性优化的裂化–抑制设计方法新理念及其基本原理、关键技术和实施流程。该方法认为高应力下地下洞室硬岩大变形与灾害性破坏本质上是其内部破裂发展和开裂的外在表现形式,为此建立以抑制硬岩内部破裂发展为关键切入点的理念,以硬岩的开裂测试分析、减裂开挖调整、止裂支护控制为三要素,提出:(1)通过系统地开展洞室群开挖方案优化分析,从开挖角度尽量减少和避免围岩开裂的规模、深度和程度技术体系;(2)通过支护参数、支护时机优化,从支护角度抑制围岩进一步裂化并强化松弛/开裂围岩的整体性从而抵抗地层压力,将围岩从被支护对象转换为承载结构,从而实现充分调动围岩自身承载性能来维护和再造围岩承载拱,达到工程安全、高效和经济的目标。拉西瓦水电站地下洞群开挖顺序优化、白鹤滩水电站地下厂房顶拱支护方案优化、中国锦屏深地实验室的围岩支护参数复核等工程实践表明了其合理性和实用性。     

柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策

柱状节理玄武岩是火山岩区所特有的地质现象,其地质成因独特,工程特性、开挖响应特征明显不同于一般常见岩体。通过分析地下洞室中柱状节理岩体的开挖响应特征和揭示现象,结合岩石力学理论和数值分析,对柱状节理玄武岩表现出的典型破坏模式及其破坏机制进行深入分析和总结。在此基础上,针对柱状节理玄武岩卸荷易松弛的特点,结合现场监测、检测数据等信息,总结提炼现场实施过程中有效的支护措施、支护时机、开挖方案、爆破控制等支护手段和施工方法,以有效控制围岩松弛变形和松弛向深部扩展,实现复杂条件下的地下洞室围岩稳定控制。     

巨型地下洞室脆性围岩高应力破裂防治措施研究

脆性岩体高应力破裂是西部水电地下工程面临的主要岩石力学问题之一。依托世界最大规模的白鹤滩地下厂房洞室群,在概括高应力条件和玄武岩脆性特征基础上,说明了地下洞室围岩破裂破坏形式。采用3DEC中围岩能量释放等指标,研究了洞群布置、体形优化等宏观策略;依据围岩高应力集中特征,分析了开挖程序和支护时机等应对措施。结果表明,针对构造应力占主导的地下工程,可研设计应尽可能使主要洞室轴线与σ⁰₁小角度相交、宜选择双向成拱的圆筒形体形、保证顶拱曲率与应力拱相适应,并且,在施工期应尽可能沿σ⁰₁方向优先开挖、对应力集中的顶拱开挖不宜过多分幅、河谷应力条件下应优先开挖临江侧,此外,必须充分利用掌子面效应及时支护,抑制脆性岩体破裂扩展和时效变形。工程实践表明,防治脆性围岩高应力破裂的战略性措施能够降低洞室群围岩产生破裂破坏的总体风险,而战术性措施能够减小支护代价,提升工程安全性和经济合理性。     

白鹤滩水电站柱状节理玄武岩力学特性及松弛控制

柱状节理玄武岩是由火山熔岩冷凝收缩形成的典型节理岩体,岩体结构呈“柱状镶嵌构造”,具有非连续、非均质和各向异性等复杂力学性质,岩体的卸荷松弛控制是白鹤滩水电站工程建设的关键难题。结合近些年的研究成果,首先追溯柱状节理玄武岩的地质成因及演化,介绍白鹤滩柱状节理玄武岩的工程岩体分类。通过现场地质勘查、岩石力学试验和数值模拟分析,阐述柱状节理玄武岩的非连续性、各向异性与尺寸效应等力学性质。针对坝基和地下洞室的松弛变形问题,基于现场监测与数值分析揭示柱状节理玄武岩的松弛特征与时间效应。分析坝基与地下洞室在结构体型优化及开挖支护方法上的防松弛控制措施,总结柱状节理玄武岩松弛控制的支护时机和支护方法。研究表明,白鹤滩柱状节理玄武岩具有显著的卸荷松弛特性,对结构体形适当进行优化能减少松弛范围,在开挖前预先进行加固措施能提高岩体抗松弛能力,开挖后尽快采取支护措施改善应力状态有利于限制浅层岩体松弛向深部发展。     

深埋地下厂房微震监测系统及其工程应用

猴子岩水电站地下厂房水平埋深280~510 m,垂直埋深400~660 m,属于典型深埋地下厂房,山体地应力高,地质条件复杂。为监测和分析地下厂房开挖过程围岩的稳定性,识别和圈定围岩潜在的破坏失稳区域,2013年4月安装加拿大ESG微震监测系统。采用声波仪测定地下厂房岩体波速的范围,并结合爆破试验方法计算得到微震监测系统整体等效P波波速为5 700 m/s,系统定位误差小于10 m。对拾取的微震事件波形手动处理,提高定位精度,并剔除干扰事件。通过地质资料分析和现场踏勘,微震活动性时空分布演化规律揭示并圈定猴子岩水电站地下厂房围岩微破裂集中区域及其潜在失稳风险区域。研究结果可为猴子岩水电站地下洞室群后期开挖和支护提供参考,也为类似开挖强卸荷作用下深埋地下洞室围岩稳定性评价提供一条新的研究思路。     

基于层状岩体卸荷演化的锦屏I级地下厂房洞室群稳定性与调控

 锦屏I级水电站地下厂房洞室群开挖支护设计与施工控制以及整体稳定性等问题十分突出,施工期已经明显呈现出高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏特征。根据锦屏I级地下厂房层状岩体力学特性,采用考虑卸荷演化的层状岩体本构模型及其数值模拟方法,反演获得初始地应力场以及层状岩体力学参数。在此基础上,对锦屏I级地下厂房洞室群进行三维数值模拟分析,获得一些对高应力下锦屏I级水电站大型地下洞室群施工期围岩稳定与支护安全等方面的认识,提出洞室群围岩应力释放调控、松弛区承载力调控以及变形开裂调控等适时工程调控措施与建议。研究结果表明,洞室群整体开挖完成后的现场监测结果和围岩稳定现状等证实了所提出的认识和调控措施的合理性,表明层状岩体本构模型及其数值模拟分析方法能够较好地反映高应力下层状岩体中大型地下洞室群施工期的工作性状。     

白鹤滩柱状节理玄武岩隧洞开挖微震活动时空演化特征

金沙江白鹤滩水电站导流洞III1类柱状节理玄武岩发育,开挖过程中松弛破坏明显,对施工人员安全及施工进度造成严重影响。基于微震监测技术对白鹤滩柱状节理玄武岩导流洞开挖全过程进行研究,沿隧洞轴向方向,柱状节理玄武岩微震活动集中于开挖掌子面附近,服从三参数Logistic分布。掌子面附近及其后方微震活动分布可分为3个区域:开挖强卸荷区、综合影响区和时效松弛区,在开挖强卸荷区范围内应完成锚杆支护。隧洞开挖过程中,柱状节理玄武岩微破裂由隧洞边墙快速向围岩内部发展,当掌子面距离较远时,边墙内微破裂活动较微弱,微破裂集中区最终稳定在距边墙6 m范围内。降低开挖速率能有效减弱开挖卸荷对柱状节理玄武岩的影响。所得认识和结论对微震监测技术的应用以及柱状节理隧洞开挖方案和支护措施的优化具有参考意义。     

白鹤滩柱状节理玄武岩隧洞开挖微震活动时空演化特征EI北大核心CSCD

金沙江白鹤滩水电站导流洞III1类柱状节理玄武岩发育,开挖过程中松弛破坏明显,对施工人员安全及施工进度造成严重影响。基于微震监测技术对白鹤滩柱状节理玄武岩导流洞开挖全过程进行研究,沿隧洞轴向方向,柱状节理玄武岩微震活动集中于开挖掌子面附近,服从三参数Logistic分布。掌子面附近及其后方微震活动分布可分为3个区域:开挖强卸荷区、综合影响区和时效松弛区,在开挖强卸荷区范围内应完成锚杆支护。隧洞开挖过程中,柱状节理玄武岩微破裂由隧洞边墙快速向围岩内部发展,当掌子面距离较远时,边墙内微破裂活动较微弱,微破裂集中区最终稳定在距边墙6 m范围内。降低开挖速率能有效减弱开挖卸荷对柱状节理玄武岩的影响。所得认识和结论对微震监测技术的应用以及柱状节理隧洞开挖方案和支护措施的优化具有参考意义。     

陡倾柱状节理岩体洞室松弛特征与破坏机制

白鹤滩水电站柱状节理岩体具有特殊的柱体结构特征,洞室开挖后卸荷松弛破坏严重。通过对白鹤滩水电站4#导流洞柱状节理岩体现场破坏调查、位移和松弛深度监测,发现柱状节理洞室呈现典型的非对称破坏特征,不同部位松弛深度差异较大,左右侧边墙破坏模式受倾角影响,分别呈现倾倒破坏和滑移破坏。离散元数值模拟结果显示洞室表层围岩主要以柱间节理张拉破坏为主,内部围岩以剪切破坏为主,左右侧边墙不同的变形破坏特征是柱体倾角和地应力综合作用的结果。最后分析了不同柱体倾角对洞室变形破坏特征的影响,不同倾角下洞室各部位松弛深度差异显著,应根据洞室不同部位塑性区深度和柱体角度进行预应力锚杆设计。     

高地应力条件下大型地下洞室群稳定性综合研究

 从认识论的角度提出数值仿真技术服务于地下工程实践的PFP分析方法,并随拉西瓦水电站地下厂房工程开挖进度分3个阶段对洞群围岩稳定性进行系统地分析和预测。研究成果表明：在高地应力硬岩洞室群开挖过程中,不同部位围岩位移具有明显的空间差异性和时间渐变性;岩体中应力表现出一定的波动性、转移性;多洞室交叉使得围岩松弛区域具有一定的特殊性;围岩破损模式和深度也具有区域差异性等。其成果为洞室开挖与围岩支护改进提供了科学依据,也被实际洞室开挖过程揭示的变形规律和围岩开裂、掉块等破坏模式所证实。这些高地应力下硬岩力学行为规律对其他类似地下工程围岩稳定性研究也具有较好的借鉴意义。     

地下厂房洞室群施工期围岩变形及破坏特征分析

简要介绍了锦屏一级水电站地下厂房洞室群的工程地质条件、施工期安全监测方法。对围岩变形监测成果进行了统计分析,对围岩变形规律及特点进行了研究。结合施工开挖及地质条件,对围岩变形过程、时效行进行了探讨。经过分析认为厂房地下洞室群围岩变形破坏机理复杂,与岩体强度、应力场分布、岩体工程地质特性、洞室群规模和形状、开挖方式、支护时机和强度等多种因素有关,其中地应力高的大理岩岩体强度相对较低是施工期围岩变形破坏的主要原因。提出了增加开挖层数、减少开挖层高、相邻洞室错层开挖、增加对穿锚索及降低锚索锁定初值等建议措施。     

白鹤滩水电站主厂房第Ⅰ层开挖期围岩变形规律与机制研究

白鹤滩水电站地下洞室群规模宏大,厂房区构造应力高,地质条件复杂。主厂房第I层施工期,围岩变形和稳定问题突出。根据主厂房第I层开挖支护完毕后围岩变形监测资料,结合地质资料、施工情况,分析主厂房围岩变形规律与机制。统计分析得到,在高地应力和软弱地质构造控制下,围岩位移量值较大;由于右岸场区初始地应力大于左岸,右厂扩挖跨度大于左厂,且不良地质构造较左厂发育,右岸主厂房围岩变形量值普遍大于左厂;受初始最大主应力方向影响,左右岸主厂房拱顶和下游拱肩围岩变形普遍大于上游拱肩,且围岩变形较大部位均发育软弱构造带或岩体较破碎;围岩位移与开挖卸荷关系密切,监测断面附近开挖时,位移–时程曲线随开挖呈台阶式增长;岩体质量较好的洞段,掌子面的位移空间效应范围约一倍洞室跨度;软弱构造处,围岩变形在较长时期内随施工活动小幅跳跃增长,掌子面空间效应达到两倍洞室跨度;围岩时效变形不明显;软弱构造处围岩变形速率数倍于完整岩体。分析总结白鹤滩水电站地下厂房围岩变形规律对保障施工期安全和预测下阶段开挖围岩稳定性具有重要意义。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

柱状节理玄武岩各向异性特性的调查与试验研究

针对几何形状特殊且为镶嵌结构的柱状节理岩体,为认识其各向异性力学特点和开挖卸荷下的破坏模式,首先在柱状节理玄武岩截面几何特征的现场调查统计和3类结构面的扫描电镜(SEM)分析基础上阐述柱状节理岩体在结构上的横观各向同性特点,然后通过垂直其柱体轴线方向和平行其柱体轴线方向的柱状节理岩体原位声波测试揭示柱状节理玄武岩的变形各向异性,进而通过不同取样方向岩芯的单轴压缩试验和现场岩块的点荷载试验阐明其强度各向异性特点,最后结合上述所获得的柱状节理玄武岩各向异性认识分析其开挖卸荷下的“结构–应力”控制型破坏模式及其结构劣化的具体表现形式,所得认识和结论对柱状节理岩体地层中地下洞室稳定性分析和支护设计具有参考意义。     

白鹤滩水电站巨型地下洞室群关键岩石力学问题与工程对策研究

 白鹤滩水电站地下洞室群规模宏大、围岩地质条件复杂且地应力水平较高,在现阶段的开挖过程中,普遍揭露了脆性岩体的高应力破坏、软弱层间带导致的深层变形、柱状节理玄武岩的破裂松弛三类典型岩石力学问题。基于室内岩石力学试验,定义脆性玄武岩的启裂强度标准,并结合FLAC3D的Hoek-Brown模型对开挖过程中的洞室顶拱和墙角应力集中区进行分析,提出针对岩体高应力破裂风险区域的支护措施;针对层间带出露于洞室顶拱或高边墙引起的剪出口坍塌、顶拱深层变形、边墙错动变形问题,采用3DEC的Coulomb-slip模型与位移监测相结合开展反馈分析,确定加强支护措施及范围;针对柱状节理岩体的各向异性变形松弛特性,应用专门研发的Comba本构模型与声波检测相结合的研究方法,对柱状节理围岩各向异性松弛深度进行分析,为支护参数拟定提供依据。研究表明,巨型地下洞室围岩的稳定问题通常较为复杂,在施工期依据施工地质、数值模拟和监测成果相结合的反馈分析,不仅能够解释围岩变形破坏机制,而且能够为动态优化设计提供依据。     

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。