支护时机对围岩稳定性的影响研究

随着地下洞室的开挖,洞周初始地应力得到释放,围岩发生变形。作者通过采用考虑地应力释放率,建立三维FLAC~(3D)数值模拟模型,以摩尔-库仑强度准则为屈服条件,考虑开挖过程中不同的支护时机对隧洞围岩稳定性的影响,分析比较围岩应力、塑性区、位移及锚杆轴力随地应力释放率的变化规律,以充分发挥围岩和支护的共同承载能力。     

深切河谷区水电站厂址初始应力场规律研究及对地下厂房布置的思考

针对深切河谷高地应力区水电站厂址区域初始地应力张量空间分布特征及其与洞室群布置相对关系识别问题,结合河谷历史发展过程分析、应力张量空间解析法和多核并行计算技术等,将复杂地质环境下三维地应力场模型与洞室群精细开挖计算模型相耦合,提出考虑河谷演化规律的厂址区域地应力场量化精细数值模型的建立方法和分析思路,识别锦屏一级水电站厂址区初始应力场分布规律并进行现场验证,结果表明：锦屏一级地下厂房洞室群位于深切河谷附近应力变化较大且应力水平相对较高的应力过渡区,由此形成初始高地应力环境,且主应力比为1.9～2.5,岩石强度应力比为1.5～3.0;在这种高地应力-低强度应力比且高主应力比共同作用下,地下厂房洞室群施工期围岩出现的变形破坏规律及卸荷松弛深度超过同等规模的地下厂房工程,而现场围岩应力诱导型变形破坏的发生位置和分布规律,则佐证了所获得的厂址初始应力场的合理性,同时也验证了地应力场量化模型建立方法的科学性和可行性。在此基础上,建立一种考虑三维地应力、岩石强度应力比和岩体结构特征的高地应力区地下厂房洞室群结构布置设计方法,其本质上体现洞室荷载特征(三维地应力,包括最大主应力量值和方位,而且还考虑地应力场分布、主应力比等)、围岩结构特征及承载能力(岩石强度)等因素的协同耦合作用,并从定性角度建议确定主洞室位置、纵轴线、间距和洞型等一些原则和思路。     

高地应力软岩隧道围岩压力研究和围岩与支护结构相互作用机制分析

岩体开挖后受扰动而产生应力重分布过程极其复杂,尤其是在不良地质环境下更甚。对于地质条件差、地应力为高~极高的软弱围岩,其结构受力大小与受力特征对隧道结构安全尤为重要。针对目前研究中存在的问题,结合工程中出现的问题和实际需求,以高地应力软弱围岩条件下的关角隧道、木寨岭隧道等工程为背景,通过地应力现场实测、理论研究与数值分析,对高地应力软岩隧道围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制进行研究。主要进行以下几方面的研究工作:(1)在中国地应力场分布规律统计分析基础上,统计得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。(2)采用水压致裂法进行兰渝线天池坪隧道和两水隧道地应力现场实测。在此基础上,分析隧道所处的原始高地应力水平及隧道开挖后的地应力分布规律;采用改进的BP神经网络进行了木寨岭、天池坪等隧道的宏观地应力场拓展分析,获得地应力的宏观分布形态与特点。(3)针对现有本构关系,对高地应力软岩尚不具有广泛代表性和卡斯特耐尔公式无法直接计算出在塑性区范围不同发展过程对应的塑性形变压力的问题,以原岩应力和隧道容许位移(或支护后实际量测位移)为出发点,采用岩体软化"直–曲–直"模型,推导了隧道形变压力计算公式。(4)利用台阶法开挖中存在的空间效应和改进的BP人工神经网络模型预测位移以及多项式拟合预测方法,提出两类在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。通过在关角隧道和木寨岭隧道大战沟斜井高地应力软岩地段的应用,探讨其结构荷载与应力释放规律,其结果得到三维数值分析的验证。(5)为验证卡斯特耐尔扩展公式合理性,基于参数全过程变化的应变软化FLAC3D三维数值模型,模拟木寨岭隧道正洞高地应力软岩地段隧道开挖支护过程。三维数值结果与卡斯特耐尔扩展公式计算结果吻合,进一步证明该公式在高地应力软弱围岩条件下应用的可靠性、适用性。在统计青藏地区地应力分布规律基础上,结合现场实测和拓展分析,准确获得高地应力软岩隧道位置原始地应力,为研究围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制提供依据。在原始地应力基础上,结合理论分析和数值仿真,获得高地应力软岩隧道的围岩压力计算方法和围岩与支护结构相互作用机制。主要创新点体现以下4个方面:(1)统计分析得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。总结出青藏地区地应力分布规律与特点,为判别该区域地应力测试结果的合理性提供依据。(2)针对高地应力条件下软岩隧道大变形问题,引入岩体软化"直–曲–直"模型,推导出适用于高地应力软岩隧道基于原岩应力和隧道位移的隧道形变压力计算公式。(3)提出2种在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。(4)为在三维数值分析中反映软弱围岩参数随坑道变形而不断变化的特性,引入参数全过程变化的应变软化模型,利用FLAC3D软件验证卡斯特耐尔扩展公式应用于高地应力软岩隧道的可靠性和适用性。     

基于GZZ强度准则考虑应变软化特性的深埋隧道弹塑性解

基于三维非线性Hoek-Brown强度准则(GZZ强度准则),提出考虑应变软化特性的圆形隧道开挖后围岩非线性力学响应的求解方法。该强度准则不仅继承了传统二维Hoek-Brown准则的优点,并可以考虑中主应力2σ的影响。根据经典弹塑性理论采用数值方法得到考虑应变软化特性的围岩应力、应变、位移及塑性区范围的解答。计算结果表明,传统二维Hoek-Brown强度准则低估了围岩的变形能力。与之相比,采用考虑中主应力影响的GZZ强度准则计算得到的塑性区和软化区半径及围岩应变值更大。围岩最大环向应力θσ位于弹–塑性区边界处,从软化区向流动区过渡过程中围岩的环向应力曲线斜率发生了突变。在塑性软化区内,围岩应变值相对较小而应力值较大;在塑性流动区内,围岩的应力值相对较小,但其应变值非常大,流动区围岩的应变值可达软化区应变值的数十倍。塑性区围岩的软化可以使隧道洞壁附近的围岩应力减小,但会使其变形大大增加。当支护压力较小时,软化作用会使围岩变形增加数倍甚至数十倍。同样,在保证洞壁收敛变形不变的条件下,围岩软化后所需的支护反力会增加数倍甚至数十倍。在高地应力地区,围岩的软化使导致隧道发生大变形破坏的关键原因。在隧道支护结构设计计算时适当考虑围岩的应变软化特征,对于避免隧道发生大变形破坏十分重要。     

基于Hoek-Brown准则的山岭隧道围岩力学参数估计

将围岩岩体分级系统(Q系统)引入到Hoek-Brown强度准则中,引入节理粗糙度、节理充填物的抗剪强度及岩石所受应力3个指标,对地质强度指标(GSI)进行定量化修正,并基于围岩基本质量指标BQ、裂隙组数、围岩节理条件以及Q系统评分值,重新构建一种GSI的定量化分析方法,通过测量扰动前后围岩的纵波波速优化岩体的扰动参数D。基于修正后的Hoek-Brown强度准则与Mohr-Coulomb强度准则进行等效转化,估算岩体的力学参数,通过与实例工程中试验结果进行对比,得知此方法是合理、可行的。     

考虑围压影响的深埋圆隧围岩应变软化与剪胀特性分析

 不同围压下岩石应变软化与剪胀特性不同,若在隧洞开挖中考虑围岩塑性区域内变化围压影响,其应力–应变场求解方式将区别于既有文献中的传统方法。根据围压影响下应变软化围岩的临界塑性剪切应变变化特征,给出改进的判断围岩是否进入塑性残余区域的规则;引入考虑围压与临界塑性剪切应变的非线性剪胀模型。基于Hoek-Brown屈服准则,根据一定径向应力增量将围岩塑性软化与残余区域分层,采用有限差分法对围岩应力–应变场进行求解;为分析围压对围岩稳定性的影响,根据临界塑性剪切应变与剪胀系数变化与否,设定4种非线性力学模型,深入分析并比较4种力学模型下临界塑性剪切应变、剪胀系数与围岩变形等在塑性软化与残余区域的分布规律。研究结果表明：地质强度指标GSI较小时,考虑围压影响下的围岩应力–应变场与未考虑时差异明显;此时临界塑性剪切应变的减小对开挖边界的围岩剪胀性具一定抑制作用。     

基于Mogi-Coulomb强度准则的隧道围岩理想弹塑性解答

合理选择岩石强度准则对隧道应力及位移预测和支护设计都具有重要意义,基于MogiCoulomb强度准则和理想弹塑性模型,通过中间主应力系数反映中间主应力的影响,推导了圆形隧道围岩应力和位移的解析解,并对所得结果进行比较与验证,得到了中间主应力和围岩抗剪强度参数的影响特性。研究表明:具有广泛的适用性和较好的可比性,Mohr-Coulomb强度准则解答和Matsuoka-Nakai准则解答均为其特例;结果关于中间主应力系数b=0.5对称,较好地反映了岩石强度的中间主应力效应及其区间性;粘聚力及内摩擦角对围岩塑性区半径和隧道洞壁位移的影响显著,应充分考虑中间主应力影响及围岩抗剪强度参数变化对隧道设计与施工的影响。     

瀑布沟水电站地下厂房开挖过程中岩爆应力状态的数值模拟

瀑布沟水电站地下厂房赋存于复杂的地质环境中,厂房开挖过程中岩爆活动频繁。为分析围岩应力对岩爆活动的影响,研究初始地应力理论和计算方法,对厂房区域的地应力实测值进行线性回归,并在ANSYS中实现初始地应力的加载,得到与实际勘测结果相接近的初始地应力场。在此基础上,对地下厂房的开挖过程进行三维有限元数值模拟,根据岩爆判别准则对岩爆危险区域进行预测,并给出危险等级分类。岩爆模拟结果和现场监测结果基本吻合。研究结果表明,瀑布沟水电站地下厂房围岩区域的构造应力显著,且具有较强的方向性。地下厂房围岩整体上稳定,拱脚、洞室交口处围岩容易发生高等级岩爆。     

考虑水力耦合的射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法

以多孔介质流体渗流和围岩应力耦合理论为基础,提出一种基于有限容积法（FVM）的水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法。首先,考虑初始地应力和流体渗流对射孔围岩的影响,运用坐标转换和叠加原理得到围岩应力分布。其次,考虑围岩渗透率和孔隙度的应力敏感性,通过渗流力学分析确定射孔围岩的流体压力。最后,探讨水力压裂射孔围岩破裂准则的基础上,构建考虑水力耦合的射孔围岩水力压裂力学模型,并基于有限容积法对渗流方程和应力方程予以离散,提出水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂数值模拟方法。该方法实现了流体渗流与围岩应力的耦合,可精确求解水力耦合作用下射孔围岩水力压裂破裂压力和破裂时间,亦能对流体压力和围岩渗透率演化予以准确描述。相关成果丰富了水力压裂破裂机理的研究,亦可对实际工程设计提供重要的参考。     

硬质岩石卸荷破坏特性试验研究

 对硬质灰岩进行加轴压、卸围压试验,研究卸荷应力路径对其力学性质的影响,结合试验数据分析5种强度准则描述岩石卸荷破坏的适用性。Mohr-Coulomb强度准则和Hoek-Brown强度准则回归效果较差,考虑中间主应力影响的Drucker-Prager强度准则和Mogi-Coulomb强度准则回归效果较好,并且Mogi-Coulomb强度准则回归效果优于Drucker-Prager强度准则,抛物线型强度准则对高围压下的试验结果回归较好。岩石卸荷破坏发生强烈的体积扩容,从描述体积应变变化的角度对岩石卸荷破坏本构模型进行修正,理论模型结果与试验结果吻合较好。     

高地应力千枚岩隧道支护体系试验研究

成兰铁路茂县隧道穿越龙门山活动断裂带,地层以千枚岩为主,围岩破碎、软弱、强度低,且存在高地应力。在茂县隧道1号斜井施工过程中,遇到了围岩大变形、喷射混凝土开裂、钢拱架扭曲等现象。为了解决这一技术难题,在施工现场将斜井按正洞施作,设置4种不同的支护体系试验段,并对围岩变形、围岩与初支接触压力、钢拱架应力进行监测分析,得出以下结论:I20工字钢刚度低,不能有效地抵抗围岩前期变形,使围岩的变形进入塑性流动阶段;H175型钢刚度大,与3 m长短锚杆相结合能主动控制围岩的变形,能有效地控制围岩前期变形,8 m长的锚杆能被动控制围岩变形,能有效地抑制围岩塑性区的扩大;以H175钢拱架+3 m锚杆+8 m锚杆+喷射混凝土+超前注浆小导管为主的初期支护体系对茂县隧道高地应力千枚岩大变形的控制有较好的效果,可为后期茂县隧道正洞的施作提供指导。     

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。     

黄土隧道地基湿陷变形评价方法探讨

 隧道穿越自重湿陷性黄土地层时,可能遭受浸水作用下地基湿陷变形的附加作用而产生结构破坏。针对隧道衬砌结构的湿陷性黄土地基,结合隧道围岩及地基的自重湿陷变形特征,首先,提出浅埋隧道围岩压力、衬砌结构自重荷载构成基底压力和隧道两侧基底面分布土层自重共同作用下地基土的附加应力计算方法,以及考虑地基土自重应力的湿陷压缩应力计算方法。其次,在基本物性与构度、构度与结构压缩屈服应力、孔隙比和初始孔隙比比值与压缩应力和结构压缩屈服应力比值关系的基础上,建立自重湿陷系数和湿陷系数的计算方法。依据大厚度自重湿陷黄土场地不同埋深范围黄土具有不同自重湿陷系数门槛值的特征,得到了场地的自重湿陷变形和隧道地基的湿陷变形的计算方法。最后,通过数值计算分析,模拟隧道地基湿陷变形不同沉降差作用下衬砌结构应力场和塑性域发展,随着不均匀湿陷变形的增加,隧道衬砌结构塑性区范围不断增大,并结合铁路路基沉降控制标准,建议隧道地基湿陷变形0～5 cm为一级、5～10 cm为二级、大于10 cm为三级。     

异常高压气藏应力敏感性研究

 克拉2异常高压气藏是目前我国探明的最大整装干气气藏,属于异常高压气藏。对于这种具有极高异常压力的气藏,在衰竭式开采过程中,地层压力逐渐下降,作用在岩石颗粒上的有效应力增加。这种效应有可能产生岩石形变,产生应力敏感,使得岩石物性参数孔隙度、渗透率减小,从而影响到气藏流体的流动动态及气井产能,给高效、合理地开发带来许多困难和问题。为此,设计模拟地层条件下储层应力敏感的试验流程与试验方法,以克拉2异常高压气藏的砂岩岩芯为试验对象,进行不同有效应力下储层物性应力敏感性试验以及应力敏感岩芯往复试验研究。试验结果表明,初始渗透率越低,则应力敏感性越强,孔隙度对有效应力的敏感性低于渗透率的应力敏感性。同时,通过三轴高温、高压岩石变形与渗透试验仪得到岩石典型的全应力–应变曲线,定量描述地层压力降低后,岩石出现永久塑性变形的特征,这是储层物性产生应力敏感性的原因。这些研究对该气藏合理开发是非常必要的,对气藏动态储量的计算、产能评价及合理生产工作制度的确定具有重要意义。     

节段预制拼装胶接缝抗剪性能试验

为研究混凝土节段预制胶接缝的抗剪性能,考虑接缝形式、环氧树脂胶厚度、剪力键键齿数目进行了胶接缝剪力键足尺直剪试验,分析了试件的破坏形态。根据试件抗剪承载力和竖向相对滑移研究规范化剪应力-竖向相对滑移曲线,比较分析现有胶接缝剪力键抗剪承载力计算公式的误差。结果表明:与平面胶接缝和湿接缝相比,单键齿胶接缝试件的抗剪承载力、规范化剪应力和塑性变形能力均有所提高; 单键齿胶接缝试件的环氧树脂胶厚度越大,则单键齿胶接缝试件抗剪承载力越高,规范化剪应力越大,其塑性变形能力越好; 双键齿胶接缝试件的抗剪承载力比单键齿胶接缝试件的抗剪承载力高,其塑性变形能力比单键齿胶接缝试件的塑性变形能力好; 不宜忽略环氧树脂胶厚度对胶接缝剪力键抗剪承载力的影响。     

水力作用下砂岩三轴卸荷试验及破裂特性研究

高应力、高水压卸荷条件下岩石的非连续性微缺陷演化过程研究对揭示隧道围岩裂纹的起裂孕育、碎胀裂化和峰值破坏,分析围岩稳定性具有重要意义。利用MTS815型程控伺服刚性试验机开展了砂岩在固定围压、不同水压条件下的水力三轴卸荷试验。试验结果表明:岩石变形在卸荷前以压缩为主,变化微小;卸荷后不久开始快速扩容,直至损伤破裂。水力条件下应力–应变曲线上的各个特征应力值比无水压条件下的饱和试样有不同程度地提高,增加了应变能储备,从初始扩容到峰值强度的历时更短,曲线斜率更陡。随着水压的不断增大,各个特征应力值有所减小,表现在起裂条件降低,压缩极限减小,扩容时间提前,表明了砂岩在高水压条件下的脆性特性进一步增强,抵抗变形破坏的能力逐渐降低。通过扩容特征值与扩容点后的体应变关系,求得初始扩容点后的相对扩容应变与变形模量差,建立了多项式回归关系。研究结论揭示了水力作用下砂岩扩容变形行为的强烈性和突发性,可为水–力双场条件下的围岩变形预测及控制提供参考。     

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。     

考虑开挖面空间效应的围岩虚拟支护力分析

基于围岩与支护相互作用两阶段分析法,针对静水压力下的圆形隧道,提出了一种预测理想弹塑性、应变软化、弹-脆-塑性围岩下虚拟支护力的数值方法。根据该方法,首先给出了隧道纵向变形曲线与围岩特征曲线的求解程序,在此基础上,根据一定工况下围岩应力应变一致性对虚拟支护力进行耦合求解。通过与其他方法的计算结果对比论证了本文方法的优势。同时还探讨了临界塑性软化系数、岩体质量、初始应力、剪胀系数对虚拟支护力与开挖面空间效应的影响规律,参数分析结果表明:许多关于隧道掘进的数值模拟研究或实际工程中,经常基于弹性假定计算应力释放率,相应的支护设计并不安全。     

基于地应力实测的深部软岩巷道稳定性研究

唐口煤矿埋深较大,地压显现剧烈,在回风石门大巷、西翼辅助运输石门等不同构造部位布置3 个地应力测点,采用YH3B-3型环氧树脂三轴空心包体应变计按应力解除法进行了现场地应力的测试,获得了矿井地应力的大小、方向及分布规律。采用FLAC 3D 研究巷道轴向与水平构造应力呈不同夹角时对深部软岩巷道围岩稳定性的影响,为巷道的合理布置与支护设计提供了可靠依据;当最大水平应力方向与巷道轴向近似平行时,巷道围岩的变形量和塑性区范围较小,巷道变形破坏相对较小;当最大水平应力方向与巷道轴向垂直时,巷道围岩的变形量和塑性区范围最大,巷道变形剧烈、变形破坏严重。