深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类与调控策略

 根据锦屏II级水电站地下隧洞的地质条件、现场试验、数值分析和支护设计与施工全过程,建立深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类方法。该分类方法依据支护要求和控制因素将深埋硬岩隧洞的破坏现象分为3个大类、9种典型破坏模式,分析各种破坏模式的发生机制、表现形态以及调控策略,重点讨论岩爆的机制以及相应的调控策略。应用该分类方法对锦屏II级水电站地下隧洞围岩的破坏模式进行识别、机制分析,相应的调控措施也得到采纳。工程实践表明,该分类方法全面、实用,为现场设计、地质和施工工程师等在深埋硬岩条件下进行隧洞开挖和支护设计优化提供具体指导方针。     

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中,由于应力重分布导致围岩损伤破坏,传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展,采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性,但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究,缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22＋029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟,使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化,定量模拟计算围岩损伤度的变化,揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性,得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主,围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹;损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系;损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义,也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。     

变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟

 以一定范围内埋深(25～60 m)的3车道公路隧道软弱破碎围岩(公路隧道IV级)为研究对象,研制相似模型材料和配套试验设备,再现开挖后围岩的渐进性破坏全过程,分析不同埋深下围岩的应力场特征。通过模型材料室内试验获取岩体相关计算参数,引入弹塑性损伤本构模型对试验工况进行有限元数值模拟,计算结果与模型试验吻合较好。综合模型试验和数值模拟结果,可以得出以下结论：(1) 围岩破坏区是隧道塌落荷载的来源,主要集中在拱顶上方区域,在两侧边墙下方和拱底也有局部存在;(2) 隧道埋深对围岩破坏区域大小有重要影响,随着埋深的增大,围岩破坏区域呈渐进扩大趋势;(3) 围岩内的周向应力在隧道开挖后先升高而后逐渐降低,其最大值所在位置即对应压力拱位置,且该位置随着破坏区域的扩大而不断向围岩内部移动,形成动态压力拱现象;(4) 通过对围岩内部周向应力最大值的测试来获取隧道压力拱范围,并进而确定围岩塌落荷载大小,这在理论上是可行的。     

深埋硬岩隧洞复杂岩性挤压破碎带塌方过程及机制分析——以锦屏地下实验室为例

 深埋大断面隧洞开挖同时揭露多种不同岩性的岩体,各岩体之间物理力学性质差异大,其破坏规律也不相同。深入研究复杂岩性挤压破碎带的塌方演化过程及机制,对于防塌和治塌具有重要作用。针对锦屏地下实验室二期中3#实验室的复杂岩性挤压破碎带区塌方,通过现场地质调查及矿物分析,发现该处破碎带本身岩性复杂、地应力高是影响这次塌方的关键因素。同时结合现场录像观察的塌落岩体破坏形态、室内电镜扫描结果和不同岩性岩体的空间分布特点,认为此次塌方具有明显的渐进性破坏特征;不同岩性岩体具有不同的破坏机制：南侧边墙和掌子面分布的花斑角砾状大理岩、溶蚀状大理岩为剪切滑移型破坏,北侧边墙方解石化大理岩为节理张开倾倒破坏,顶拱镶嵌组合胶结状大理岩、花斑角砾状大理岩和溶蚀状大理岩为重力型塌落破坏。基于现场录像观察到塌方发生时间的先后顺序和电镜扫描不同岩性岩体的破坏机制,归纳其演化过程为：开挖卸荷→隧洞周边薄层岩体松散垮落→南侧边墙岩体剪切滑移破坏→北侧边墙岩体节理张开倾倒破坏→在两侧边墙卸荷作用下顶拱岩体发生卸荷回弹→重力坍塌破坏。根据岩体破坏机制和塌方演化过程,建议采用围岩表面和内部综合治理的支护措施(初喷不少于10 cm厚的混凝土+带锚垫板的注浆锚杆+挂网+复喷混凝土)。该研究成果可为深埋隧洞穿越复杂 岩性挤压破碎带的类似设计、施工、支护提供参考。     

软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏试验研究

 利用相似模型试验对深埋隧道围岩渐进性破坏特征进行研究。相似模型针对大断面、软弱破碎、深埋铁路隧道围岩。模型材料选择重晶石、石英砂、凡士林按一定比例配制而成。采用自主研发的平面应变模型试验台、气囊加载装置和千斤顶加载装置作为加载系统。利用白光散斑方法监测系统监测加载过程中隧道围岩表面应变场演化规律,利用压力盒监测加载过程中围岩压力的变化。试验结果分析表明：(1) 隧道拱腰处在逐渐加载过程中形成剪切的V型楔形体,拱顶没有破坏但产生较大拉伸变形。拱腰处的剪切破坏范围逐渐扩大到拱顶,最终在拱顶上方形成剪切的拱形裂纹。(2) 拱腰近洞壁一定范围内径向压力先增加后减小说明该处存在松动区,围岩深处存在切向压力升高区对应压力拱拱体;拱顶上方近洞壁存在径向压力减小区域对应松动区,围岩深处最大主应力方向发生偏转,该处对应压力拱位置;深埋隧道围岩受力分区特征为松动区–压力拱拱体–原岩应力区。     

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

 深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中，由于应力重分布导致围岩损伤破坏，传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展，采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性，但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究，缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22+029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟，使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化，定量模拟计算围岩损伤度的变化，揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性，得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主，围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹；损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系；损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义，也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。     

深埋隧洞围岩应力分析及岩爆预测

采用有限元软件,数值模拟分析了相同侧压系数、不同埋深工况下的深埋隧洞围岩应力变化规律,初步判别了岩爆可能性及岩爆发生部位,对隧洞的设计及施工过程中岩爆的防治具有一定的指导作用。     

跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟

 断层及其破碎带是隧道开挖过程中常见的不良地质现象,也是围岩不稳定且容易出现事故的地段。以山区隧道施工中常见的IV级围岩为参照对象,利用地质力学模型试验和数值模拟研究跨断层隧道施工过程中围岩的渐进性破坏过程及其受力变形特性。研究结果表明：(1) 位于拱顶之上的断层下盘岩体在隧道开挖后呈悬挑状态,且在靠近断层部位易出现拉裂缝;(2) 隧道开挖使得上覆荷载向隧洞左、右两侧转移,从而导致拱腰以下的岩体往往率先剪切破坏,尤以断层下盘一侧岩体为甚;(3) 隧道开挖将引起围岩应力重分布,若调整后的围岩应力超出岩体自身强度极限时,洞周岩体就会塌落成拱,且位于塌落范围内的岩体切向应力呈“跌落式”下降,此特征可用于判断岩体塌落范围;(4) 隧道开挖后,由于断层的阻隔作用,岩体应力在跨越断层上、下盘时呈不连续、非线性分布的特征。     

泥岩隧洞围岩渐进性变形与破坏机制探索

为解决泥岩隧洞某洞段在施工完成后围岩突然发生持续大变形的问题,综合隧洞开挖揭露的地质条件和实测变形规律,并进行相应数值分析试验,研究发现原因是隧洞围岩中存在隔水层,后续的开挖导致围岩隔水层破坏,使原先处于干燥状态的围岩遭受地下水浸泡而软化,导致本已趋于稳定的隧洞重新发生收敛变形和支护结构破坏。经过对处理措施的数值试验研究和现场实际效果综合对比分析,发现采取以排导为主的方案是较为合理、经济、有效的处理措施。     

锦屏辅助洞高地应力围岩稳定性数值模拟分析

在深入研究锦屏辅助洞高地应力分布规律的基础上,建立起高地应力作用下隧洞围岩结构非线性有限元仿真计算模型,通过计算分析得出了不同的应力状态下围岩的应力和塑性区发展情况。计算结果表明,隧洞局部出现严重破坏,由于岩体完整,因而整体稳定性较好。     

深埋隧道软弱围岩支护体系受力特征的试验研究

 软弱围岩由于强度低、稳定性差、变形持续时间长等特点,在隧道施工中常引起大变形、崩塌等破坏现象,导致初支结构强烈变形甚至破坏,严重影响隧道施工和安全,是隧道建设中遇到的主要难题之一。通过对贵阳-广州铁路天平山隧道试验段锚杆轴力、围岩压力及钢架应力的监测,分析各支护构件的受力特征。研究结果表明：对于初期变形速率较大的软弱围岩,锚杆轴力多呈中间大、两端小的分布型式,且轴力变化历时长,不易稳定;在同等地质软弱围岩条件下,型钢钢架的围岩压力比格栅钢架增大70%～90%,型钢钢架的应力分布较均匀,支护效果要优于格栅钢架。     

动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的数值模拟

处于深部的岩体内部积累了大量的弹性应变能，在外部动力扰动下这些能量以非常猛烈的方式释放，从而导致岩爆的发生。模拟不同侧压力系数条件下动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的整个过程，并揭示动态扰动触发巷道岩爆的力学机制。数值模拟结果表明，动态扰动对巷道变形与破裂的触发与地应力状态密切相关；动态扰动应力波的波形也是影响巷道破裂的重要因素，随着应力波幅值和应力波作用时间的加长，动态扰动给巷道稳定性带来的影响越大。因此，对动态扰动触发巷道破坏的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。     

支护阻力与深部巷道围岩稳定关系的试验研究

 在真三轴试验台上，通过对模型加围压至设计值后开挖巷道，并利用气压支护试验装置在巷道内施加均布压力来模拟支护阻力，真实再现深部巷道开挖与支护过程中围岩的演化过程。应用先进的数字图像采集和相关分析技术对巷道围岩位移场进行量测与分析，探寻不同支护阻力与深部巷道围岩稳定关系，为确保深部巷道工程的稳定提供理论与技术依据。     

软弱破碎连拱隧道松动区模型试验与分析

工程中连拱隧道围岩松动范围的确定对采取合理的支护手段和方法具有重要的理论价值和实际意义。以埋深100 m的公路连拱隧道为研究对象,利用室内模型试验,对软弱破碎围岩松动区的发展过程及范围进行研究,并采用压力盒量测围岩不同部位的应力,分析围岩松动区的应力场特征。利用FLAC软件对模型试验进行数值模拟,通过应力分析法和极限拉应变法判别松动区范围,并与模型试验结果进行对比分析,发现松动区内围岩切向应力大于径向应力,深埋条件下围岩更容易形成压力拱,应力分析法所得的松动区与模型试验结果更为接近,建议深埋隧道采用应力分析法判断松动区范围。     

岩溶隧道围岩水力破坏机制研究

 将不同围岩结构岩溶隧道的水力破坏模式划分为：(1) 非贯通盲端裂纹的扩展;(2) 贯通裂纹的横向扩展;(3) 隔离体岩块的失稳;(4) 溶洞岩壁整体失稳。分析各种破坏模式的力学机制,采用断裂力学方法分析非贯通盲端裂纹及贯通裂纹的横向扩展条件,将非贯通盲端裂纹视为“无限大”体中的片状裂纹,用Green和Sneddon的求解结果计算裂纹起裂条件;将隧道–溶洞岩壁上裂隙视为岩板上贯通裂纹,按照复变函数推导出的Westergaard解计算裂纹起裂条件。采用基于赤平投影与实体比例投影的极限平衡法分析隔离体岩块的失稳机制,给出考虑水压力作用的极限平衡计算公式;采用强度折减法分析溶洞岩壁整体失稳的破坏特征。针对各破坏模式给出防治措施,研究结果可为类似工程提供参考依据。     

深部岩体分区破裂化现象数值模拟

 利用数值手段模拟深部岩体分区破裂现象的产生及演化过程。从岩石的细观结构层次出发,基于最大拉应力准则和应变能密度理论建立单元破坏准则,并应用弹性损伤力学方法来模拟岩石的破坏行为,数值模拟过程中,必须考虑地下洞室开挖释放的能量足够引起围岩产生动力现象,即将开挖过程视为一个动力过程。基于上述思想,通过FLAC3D中的FISH语言开发分区破裂化现象的计算程序,并应用该程序求解某深埋巷道围岩破裂形态,得到破裂区和非破裂区的宽度和数量,数值模拟结果与现场观测成果有很好的一致性。     

岩石声发射规律数值模拟初探

提出了岩石声发射规律数值模拟的基本设想和框架，并以有限单元法为例就具体实施的几个关键问题作了简述，包括单元的划分、单元参数的赋值、声发射率的计算。本文给出了一个计算实例，所得结果包括岩石声发射的时间序列和空间序列分布。     

圆形洞室围岩破坏模式模型试验研究

 为系统研究连续介质条件下隧道围岩的破坏模式和规律,采用模型试验,针对黏性材料和砂性材料2种典型地质材料进行研究。黏性材料由重晶石、石英砂和凡士林按一定配比组成,砂性材料考虑单一石英砂材料和石英砂与重晶石混合2种形式。利用压力盒、位移计、非接触监测系统等监测隧道开挖、加载过程中围岩应力和变形情况。对黏性材料而言,在逐级加载过程中表现出先洞室两侧剪切滑移,后拱顶塌落的二次破坏模式,通过位移和应力的监测可知,随着外部荷载的增大,洞室上方塑性区范围增加,而进入塑性状态后,围岩变形速率加快。对砂性材料而言,单一石英砂材料在开挖后围岩不具有自稳能力;而采用石英砂和重晶石混合后的材料,由于颗粒级配较好,材料具有一定的自锁能力,洞室开挖后可以保持稳定,随着逐级加载,洞室顶部首先出现二次抛物线型塌落拱,然后拱脚位置向洞室两侧移动,当其发展到水平中轴线处达到稳定,此时塌落拱滑裂面与普氏拱理论类似。模型试验揭示连续介质条件下隧道围岩的破坏模式,对隧道支护参数的确定具有重要意义。