地下工程岩体参数场反演分析应用研究

 在施工过程中,由于开挖方式、爆破以及支护施作滞后等因素的影响,洞周岩体会有不同程度的“劣化”。一般而言,受开挖施工影响,离洞室表面越近的岩体劣化程度越严重;支护施作滞后时间越长岩体劣化程度越严重。因此,提出参数场的概念,将洞周围岩物理力学参数看作受初始地质状态、施工影响而随空间变化的非稳定参数场。采用三维弹塑性损伤有限元及位移反演分析方法,经敏感度分析确定恰当的待反演岩体参数,使用局部断面模型快速反演计算方法获得各监测断面区域岩体参数场,再通过插值方法得到三维整体模型参数场,适当修正后即可用于洞室后期开挖围岩变形及稳定预测。结合瀑布沟水电站地下厂房工程,建立有限元模型,代入监测数据,反演获得洞周围岩参数场,并将计算结果用于预报后续洞室开挖的围岩变形趋势,结果显示岩体计算预测反演参数与实际监测值符合较好。     

溪洛渡水电站超大型地下厂房洞室群岩体工程控制与监测

 金沙江溪洛渡水电站地下厂房洞室群规模巨大,结构复杂,玄武岩组内层间与层内错动带致使岩体非连续性是主要地质问题。采用损伤弹塑性数值方法对围岩稳定性进行分析,确定洞室开挖顺序和支护参数。精细化施工组织,严格控制开挖对岩体的损伤范围,并保证洞室轮廓的良好成型。及时对监测数据进行分析和反演分析,对支护工作量进行动态设计。开挖过程中,位移和应力变化规律较好;开挖完成后,位移和应力总量值较小,洞室围岩稳定性良好。溪洛渡地下厂房洞室群规模为我国已建和在建工程之首,总结其设计、开挖与支护,监测与反演等岩体工程控制措施,对类似工程具有指导和借鉴作用。     

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。     

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。     

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。     

拉西瓦水电站地下厂房洞室群分层开挖过程仿真反演分析

 拉西瓦水电站厂房规模巨大,围岩主要为脆硬花岗岩,爆破后围岩分区明显;同时厂房区域山高坡陡,河谷狭窄,区域地应力场较高,且分布较复杂,对洞室稳定性不利。为了评判开挖后地下厂房围岩的稳定性及支护的长期安全性,以地下厂房分层开挖现场实测位移为基础,根据多点位移计实测的离洞壁不同深度位移的变化规律将厂房洞壁周边围岩分为松动区、过渡区和稳定区;然后采用每层开挖引起的增量实测位移与相应的反分析位移均方差作为目标函数,分层进行围岩力学参数反演分析,得到上、下游厂房不同的地应力参数及地下厂房在开挖每层时围岩的岩体力学参数。结合反演得到的这些地应力场与围岩力学参数,对后续开挖时厂房围岩稳定性进行评价与预测,提出拉西瓦地下厂房围岩稳定性判定标准。该标准为后续地下厂房监测变形控制提供依据,有效地指导厂房支护设计与开挖施工。     

乌东德水电站地下厂房开挖过程微震监测与围岩大变形预警研究

乌东德水电站右岸地下厂房洞室群地质条件复杂,大规模洞室开挖导致围岩变形问题突出,严重影响施工进度及人员安全。引入高精度微震监测系统,分析微震时空演化特征,结合现场施工动态、地质资料和常规监测数据,揭示地下厂房围岩损伤特征;对比地下厂房围岩外观变形监测数据,探讨围岩大变形过程中震源参数演化规律,提出围岩大变形预警方法。研究表明:微震时空分布规律能够很好地反映地下厂房施工动态对围岩扰动情况,微震事件聚集演化与围岩变形损伤密切相关;围岩大变形开始前,微震活动频率增加;能量指数迅速增长至较高水平,视体积均匀增加;微震信号频率呈降低趋势。研究结果可为地下厂房洞室群后续开挖、加固及围岩大变形风险预测提供重要参考。     

猴子岩水电站深埋地下厂房开挖损伤区特征分析

 以猴子岩水电站地下厂房为研究对象,利用常规测试和微震监测技术,对开挖过程厂房高边墙围岩损伤区进行现场原位试验。基于一系列常规测试和微震监测结果分析,揭示了围岩变形破坏特征,得到厂房开挖卸荷过程围岩裂隙的萌生、发育和扩展的演化过程,分析了围岩开挖损伤区范围、裂隙演化与施工动态之间的相互关系,探讨了开挖损伤区的形成和演化机制。研究结果为猴子岩水电站地下厂房开挖、支护设计、围岩变形特性和地质资料分析提供了参考依据。相关研究工作作为地下厂房开挖、支护参数设计的重要依据,取得了较好的经济效益,对类似地下工程的设计施工有一定的参考价值和借鉴意义。     

大型地下洞室围岩体蠕变参数位移反分析研究

工程岩体蠕变参数的反演是大型地下工程围岩体稳定性分析中的一项重要研究内容.以锦屏二级水电站地下厂房为研究背景,根据现场施工得到的动态监测资料,通过建立能反映实际施工开挖顺序的计算力学模型,采用精确罚函数法以及Nelder-Mead优化算法相结合的有限元位移反分析计算程序,对地下厂房围岩体蠕变参数进行反演研究.结果表明:反演位移值与现场实测值非常接近,绝大部分反演结果与实测值误差均在8%以内,反演结果较为理想;并得到了围岩体开挖蠕变后的合理应力变形特征.研究成果为地下洞室群的长期稳定性和可靠性研究提供理论依据.     

大岗山地下厂房洞室群围岩力学参数的动态反演与开挖稳定性分析研究

岩体力学参数是影响地下工程围岩稳定的重要因素,随着地下洞室开挖进度的发展,岩体力学参数将产生明显变化。为实时反映开挖过程中围岩的力学参数变化,建立正交试验设计效应优化位移反分析法,应用该方法对大岗山水电站地下厂房洞群分步开挖过程中围岩的力学参数进行实时动态反演。利用动态反演的力学参数对各开挖层围岩进行稳定性分析,揭示出洞群开挖过程中围岩位移场、应力场和塑性区的变化规律,反演计算位移值与实测位移值吻合较好。根据分步开挖计算结果,提出地下厂房洞室群的加固处理建议,并及时反馈给设计单位,实时指导和优化工程的设计与施工。     

基于围岩松动圈的地下工程参数场位移反分析

 受爆破松动影响,地下洞室开挖后围岩强度会有所降低,根据松动损伤程度将其视为一个连续的三维“参数场”。由围岩松动圈的形成机制,分析地下洞室开挖后松动圈的计算方法,提出考虑松动圈的围岩参数场增量位移反分析法。针对岩土工程反分析计算量巨大的实际问题,对反演计算过程进行了基于MPI的主从式并行框架改进,运用计算机集群网络进行并行计算,减少了迭代计算次数和计算耗时,极大地提高了计算效率。通过对溪洛渡水电站右岸地下厂房的参数反演,得到了较好的反演效果,验证了此法的可行性和合理性。依据反演得到的参数场对现有支护设计及洞室围岩稳定状态进行评价,并对后续开挖进行预测,为工程设计施工提出合理建议,为地下工程参数反演提供了一种新方法和新思路。     

锦屏深埋大理岩破裂特征与损伤演化规律

 锦屏二级引水隧洞最大主应力超过70 MPa,在如此高应力条件下,必然存在岩体强度和地应力之间的尖锐矛盾。深入认识大理岩的破裂特征,把握围岩的损伤演化规律,对于支护优化设计和评价围岩稳定性具有重要意义。在已有关于脆性岩石破裂问题研究成果的基础上,借助于裂纹体积应变拐点和大理岩体积应变拐点配合声发射测试,确定不同围压条件下大理岩的特征强度,并将特征强度在主应力空间中进行表达,形成现场可用的强度包线。利用起裂强度曲线分析损伤区的应力状态,并根据计算成果确定不同损伤区分区的范围,描述监测断面随掌子面推进过程中损伤区的演化过程。为进一步分析损伤区的演化规律,在监测断面布置声波和声发射测试,声波检测获得的松弛圈深度主要与损伤区中的破坏区相对应,而声发射测试可以获得完整的损伤区分布特征,更有利于了解围岩的损伤特征,可为支护优化设计和支护时机的选择提供更加科学的依据。     

地下洞室开挖松动圈评估方法研究

 采用数值方法分析地下洞室开挖后的岩体塑性开裂区,与实际情况差异较大;主要取决于选择的塑性流动判别准则,因此采用声波测试确定围岩松动圈,界定标准存在一定的模糊性和经验性,实际操作困难也较大。根据围岩松动的主要影响因素,结合实验研究成果,基于施工开挖的声波资料,在统计分析的基础上给出洞室松动圈判别的数学模型。根据监测资料,通过挖掘数据发展的潜在规律,运用监测位移时间和空间上的特性,提出主级松动、松动扩展百分比等新概念。该方法为洞室围岩整体性稳定和围岩松动评判拓展新的思路,并为地下厂房洞室的监测资料分析和开挖质量评估,提供有效方法,同时对其他类似工程也提供一定的借鉴作用。     

隧道开挖的围岩损伤扰动带分析

在给出隧道开挖损伤扰动带的概念、主要影响因素基础上,提出了隧道开挖损伤扰动带的力学、渗流特征及表征方法。在现场实测基础上,利用数值法研究了隧道开挖后的不同开挖方法的变形、渗流场变化规律。结果表明:开挖损伤主要决定于隧道开挖方法;隧道开挖引起的渗流影响边界大于力学影响边界。研究结果有助于合理地建立隧道开挖问题的流固耦合模型。     

溪洛渡水电站地下厂房岩体工程实践

 溪洛渡超大型地下洞室群玄武岩组内层间与层内错动带使得围岩非连续性和各向异性损伤问题突出,采用损伤弹塑性理论对围岩稳定性进行分析,以良好的施工组织与工艺水平对潜在的不稳定区域和地质缺陷部位实施精细化光面爆破,严格控制围岩的开挖损伤并保证岩梁等的优良成型。针对关键部位和地质缺陷部位进行补强加固并实施安全监测,利用现阶段监测成果对围岩稳定性预测进行检验,并对实际围岩安全性进行评价。针对典型复杂地下洞室的地质条件、稳定性分析、开挖与支护程序、安全监测成果分析等岩体工程实践环节的回顾,在设计理念和工程实施方面提出一些见解,可为类似超大地下工程实际提供直接借鉴。     

锦屏一级水电站地下厂房洞室群围岩时效变形研究

 锦屏一级水电站地下厂房由于其规模巨大、地质条件复杂、应力强度比较高,使得其围岩应力分布和变形的时效性更为显著。将导致围岩时效性的原因分为由开挖过程引起的时效性和由岩体流变性引起的时效性,并重点研究由岩体流变性引起的时效性。首先简要介绍并讨论岩体流变理论;然后以一代表性监测断面为例,对锦屏一级地下厂房的位移监测资料、声波资料及锚杆锚索张力监测资料进行时效性分析,并指出松动区是围岩时效变形最突出的区域;最后研究考虑时效变形的位移反馈分析方法,给出该方法的具体思路和数值实现手段,并以监5断面为例验证该方法的可行性和可靠性。研究表明,考虑时效变形的位移反馈分析方法可以有效模拟围岩在施工期内的时效性,为支护设计的修改提供参考依据。     

A 3D synthetic rock mass numerical method for characterizations of rock mass and excavation damage zone near tunnels

In practice, a damage zone is generally formed after tunnel excavation in jointed rock mass. This damage zone is closely related to rock mass properties and requires careful examination in order for cost effective supporting designs. In this research, a synthetic rock mass (SRM) numerical method is applied for characterizations of the jointed rock mass and excavation damage zone (EDZ) near underground tunnels in 3D. The SRM model consists of bonded particles and simulates deformation and crack propagation of the rock mass through interactions between these particles. The effects of joint stiffness and distribution on the rock mass properties are systematically examined by comparing the numerical data with an empirical geological strength index (GSI) system and an associated Hoek-Brown strength criterion. The numerical results suggest that rock mass properties are comparable to the empirical GSI/Hoek-Brown system only when inclined joints are simulated in the rock mass subjected to axial loading. The rock mass is strengthened and the empirical GSI/Hoek-Brown characterization becomes inappropriate when the joints are less favorable to shear sliding. The SRM method is then applied for characterizations of tunnel EDZ. It appears that the depth and location of the EDZ are a function of the tunnel orientation, joints, and in situ stresses. The EDZ depth is expected to be higher when inclined joints are simulated. The EDZ area is reduced when the joints in the rock mass are horizontally and vertically distributed.