海底隧道穿越断层破碎带预注浆加固稳定性分析

通过三维有限元方法研究当隧道穿越断层破碎带时,采用不同注浆加固材料、不同注浆加固圈厚度对隧道围岩及初期支护受力和变形影响.得出:围岩未采取注浆加固时,塑性破坏主要集中在正常围岩与断层破碎带的过渡段;采取注浆加固措施后,破坏除发生在正常围岩与断层破碎带过渡段外还发生在各注浆加固段间的衔接处;对围岩进行注浆加固后,隧道拱顶最大沉降减小了一半多.同时,随着注浆加固圈厚度或刚度的增大,隧道拱顶位移、塑性变形的大小和分布区域、初期支护内的最大主应力都会相应的减小;通过改变注浆加固范围和注浆加固参数都可以实现对隧道的变形和受力的有效控制,两者在加固隧道围岩方面具有等效作用.     

岩层走向对地下洞室围岩稳定的影响

层状岩体沿层面方向和垂直于层面方向的物理力学特性各异,表现出明显的各向异性,其破坏形式也与一般各向同性岩体不同.根据层状岩体的物理力学性质分析了其破坏特性及其迭代计算方法.采用三维非线性弹塑性有限元数值计算方法,从变形、破坏、应力和扰动综合分析了层状岩体中岩层走向对洞室围岩稳定的影响.通过对一工程实例中各种洞室厂房轴线的计算和比较,结合工程经验,得出层状岩体中地下洞室的合理轴线布置方式.分析结果与工程实际相吻合,为工程设计提供了比较可靠的理论依据.     

二道垭隧道开挖与支护的数值模拟分析

大量工程实践表明，岩体工程开挖后的应力调整和变形并不是瞬时完成，本文采用大型有限元工程模拟分析软件ABAQUS，模拟二道垭隧道的开挖与支护过程，研究隧道开挖后考虑不同的应力释放比例后再支护时，围岩的变形及锚杆的受力情况．计算结果表明：对于松软岩层来说，考虑应力释放后再支护的计算结果更好地反映工程围岩的变形和破坏特性．     

复杂地下洞室围岩开挖扰动空间效应参数化研究

复杂地下洞室围岩开挖扰动区的形成和发展具有明显的空间效应。岩体开挖扰动损伤总体上表现为岩体变形模量的劣化。考虑到基于厚壁圆筒弹性力学分析的弹性模量压力和半径相关模型的应用局限性,提出开挖扰动区岩体变形模量的半径-位移相关模型,并对模型的多洞室适用性和参数敏感性进行了分析。该模型实质上是一个参数场模型,通过变形模量劣化参数场分布量化揭示开挖扰动的空间效应。以瀑布沟水电站大型地下厂房洞室群工程为例,基于位移监测信息,应用半径-位移相关模型对主厂房围岩开挖扰动的空间效应及围岩稳定性进行了参数化分析。围岩变形模量劣化参数场沿厂房轴线具有明显的空间不均匀性,沿深度方向呈现指数函数分布特征。结果表明:该模型为开挖扰动区岩体变形模量参数的确定提供了合理的数值计算方法;通过岩体变形模量半径-位移相关模型参数化分析开挖扰动的空间效应,对于地下洞室施工期快速监测反馈和围岩安全稳定性评判以及支护优化设计具有显著的工程适用性。     

隧洞破碎带围岩失稳破坏模式及控制措施研究

为了解决在隧洞开挖过程中遇到节理带、断层等软弱破碎岩带时,发生大变形、塌方等围岩失稳破坏等问题,需提前或及时做好围岩支护措施,以确保洞室围岩的稳定及施工安全。本文以长河坝水电站泄洪洞工程为研究对象,通过对现场勘测资料、隧洞开挖施工方案及工程地质条件等的综合分析,确定了软弱破碎带围岩稳定的主要影响因素,提出了隧洞破碎带围岩的典型失稳破坏模式。针对隧洞破碎带处围岩的潜在失稳问题,综合采用超前支护、开挖后及时进行喷锚+钢支撑+锚筋束联合支护,并通过有限元手段对隧洞围岩支护方案的加固效果进行了分析。有限元计算结果表明,隧洞破碎带处经及时加强支护后,围岩变形得到有效地控制,避免了洞室围岩失稳破坏现象的发生;现场监测数据及实施效果也表明及时加强支护措施对围岩稳定控制的有效性。     

采动诱导下水系发育岩层的变形破坏机制研究

针对水系发育的铝土矿床及岩层在开挖采动后的突水特征及围岩支护失效破坏特点,研究岩体裂隙演化扩张到宏观变形破坏机制,利用FLAC3D的流固耦合模型动态分析地渗流场对地下开挖工程的渗入途径及损坏过程,得到渗流场-应力场耦合下开挖途径。并针对性制定地下水防治控制对策,系统研究开发复杂破碎围岩条件下开挖巷道支护新方案,优化设计超前小导管注浆技术与喷锚网联合支护方案,并对比分析联合支护技术施工后开挖巷道围岩变形收敛量、围岩应力分布、破坏特征及支护效果。通过现场围岩变形和锚固系统受力状态监测工业试验,试验数据表明该联合支护方案在地下水发育的软弱破碎铝土矿床巷道掘进工程效果优良,可以为条件类似巷道支护选择提供参考。     

深井软岩巷道预留刚隙柔层厚度的确定及应用

针对深井软岩巷道围岩变形、破坏的特点,提出了预留刚隙柔层的厚度就是巷道围岩出现松动破坏前的塑性区径向位移．采用Bonaitin-Thomson模型对分区的巷道围岩进行了力学分析,推导出黏弹性区、稳定塑性区的径向位移计算式,并讨论了影响预留刚隙柔层厚度的主要因素．结果表明：巷道围岩位移与时间有关,且随时间的增长而增加,并最终趋于一稳定值．预留刚隙柔层厚度随巷道半径和原岩应力的增大而加大,随一次支护强度的增加而减小,但受一次支护强度的影响较小．曲江矿运输大巷预留刚隙柔层37cm,使巷道围岩充分释放变形能的同时又不损害围岩自身的支撑能力,二次支护后,巷道围岩变形量较小．     

高流变围岩泵房注浆加固的试验研究

根据相似理论，对万年矿-440泵房高流变围岩注浆加固前后变形特性进行相似材料模拟研究，得出了其变形规律：高流变围岩变形可以分为扩帮整修加速阶段、相对稳定阶段和动压阶段等三个阶段；注浆加固使泵房围岩岩体变形由结构高流变特性转为线弹性或是弹塑性。试验结果表明。采用注浆加固高流变围岩的方法是可行的，对工程实践是有一定指导意义的。     

软岩巷道锚喷支护破坏分析与对策

软岩巷道锚喷支护破坏原因主要有:巷道底板无支护或支护的强度不够,底板流变极易发展,形成了围岩体的流变通道;大部分锚杆支护为低工作阻力值,支护作用没有得到有效发挥;混凝土喷层和围岩体变形不匹配,导致喷层体离层、剪切破坏;钢笆网抵抗破坏和变形的能力弱,降低了网喷层的强度和抗变形能力.采取的支护对策有:底板反拱加强支护,避免局部围岩体的整体移动,实现巷道周边岩体的均匀收敛变形;选用长锚杆,更好地控制巷道围岩的变形;初喷混凝土为厚度20 mm薄喷层,实现初喷层与巷道围岩体的同步变形;用直径4 mm冷拔钢丝编织金属网替代钢笆网,提高网喷层支护体的强度与抗变形能力;二次锚杆支护在复喷混凝土后进行,防止网喷层与围岩体离层现象的发生.     

软岩巷道锚喷支护破坏分析与对策

软岩巷道锚喷支护破坏原因主要有巷道底板无支护或支护的强度不够,底板流变极易发展,形成了围岩体的流变通道;大部分锚杆支护为低工作阻力值,支护作用没有得到有效发挥;混凝土喷层和围岩体变形不匹配,导致喷层体离层、剪切破坏;钢笆网抵抗破坏和变形的能力弱,降低了网喷层的强度和抗变形能力.采取的支护对策有底板反拱加强支护,避免局部围岩体的整体移动,实现巷道周边岩体的均匀收敛变形;选用长锚杆,更好地控制巷道围岩的变形;初喷混凝土为厚度20mm薄喷层,实现初喷层与巷道围岩体的同步变形;用直径4mm冷拔钢丝编织金属网替代钢笆网,提高网喷层支护体的强度与抗变形能力;二次锚杆支护在复喷混凝土后进行,防止网喷层与围岩体离层现象的发生.     

单向逐级加载劣化诱导三圆孔模型的力学响应

由于施工扰动会导致洞室群的围岩劣化，对洞室群失稳产生诱导效应。为模拟洞室拉破坏和剪破坏两种典型的破坏特征，分别设计了水平和对角倾斜间隔三圆孔平板水泥砂浆模型，分别为洞室间隔矩形空孔、石蜡填充空孔和石膏填充空孔，模拟围岩由强到弱损伤的诱导效应，并定义其劣化指标。利用数字散斑系统MatchID-2D研究单轴逐级加卸载循环下无填充、石蜡填充和石膏填充空孔条件下的变形破坏特征，发现诱导程度越强，模型破坏荷载越小；同样，诱导条件下对角倾斜间隔三圆孔较平孔的破坏荷载小，平孔模型以拉破坏为主，斜孔模型以剪破坏为主。利用FLAC3D数值模拟软件进行加卸载试验，对洞室周围进行变形监测与MatchID-2D的引伸计功能进行对比，分析诱导对通过平孔模型的圆孔中心和诱导平孔中部竖直方向收敛的影响规律，发现平孔诱导空孔填充材料能明显降低中间圆孔和诱导平孔收敛，斜孔模型中间圆孔收敛呈类似特征。     

软弱围岩隧道变形破坏机制及处治措施

为深入研究软弱围岩隧道产生变形破坏的机制及其处治措施,选取四方山隧道为工程实例,分析其产生局部掉块、拱架剪切变形、塌方等病害的特征。在此基础上研究了该隧道产生变形破坏的机制,从而有针对性地提出了相应的处治措施,并利用数值模拟手段对处治效果进行了全面评价。研究结果表明:1四方山隧道产生变形破坏的主要原因在于其受到水平岩层、地应力、地表防排水、人为因素等的影响;2采取加强初期支护及基底锚注加固措施后,该隧道水平、竖向位移得到有效控制,软弱破碎围岩中的节理、裂隙减少,避免了地下水渗入而引起的基底围岩膨胀;3处治后,隧道初期支护结构的水平位移大幅下降,围岩塑性区范围减小,竖向位移大幅降低,隧道处于稳定状态,塌方变形处治效果良好。     

基于离散元的层状岩体隧道围岩稳定分析

为了研究隧道在层状岩体地质状况下,不同层厚的砂岩、泥岩以及岩层倾角与隧道围岩稳定性之间的关系,依托一实际工程案例,利用3DEC离散元软件对于不同的砂岩层厚、泥岩层厚和岩层倾角进行了数值计算。在同种影响因素作用下,对不同层状厚度或倾角条件下隧道围岩的竖向变形进行对比分析。结果表明,砂岩层厚、泥岩层厚以及岩层倾角这3个因素都会对隧道围岩的稳定性造成较大影响。随着砂岩厚度的增加,隧道围岩的稳定性会逐渐增大;随着泥岩厚度的增加,隧道围岩的稳定性会逐渐降低;岩层倾角从0°到90°逐渐增大的过程中,围岩的稳定性先增大后减小。当岩层倾角为45°时围岩的稳定性最高,岩层倾角为90°时围岩稳定性最差。     

洞室围岩收敛变形的时间效应特性研究

研究了地下洞室围岩的时间效应变形特性,提出了分析围岩时间效应收敛变形的一种新方法。通过将岩体当作似蠕变材料并利用岩石流变的积分型蠕变模型,根据现场收敛变形量测资料,可以估算围岩的蠕变参数和先期变形。最后列举了用这种方法分析收敛变形量测资料的实例。     

云盖山一矿穿多层倾斜软岩巷道锚注支护技术应用研究

针对云盖山一矿巷道掘进过程中穿多层倾斜软岩难以支护的问题,深入开展围岩结构观察和岩性分析,并用数值模拟方法分析巷道非对称变形的原因,提出巷道非均匀变形控制思路与支护方案,采用锚注支护控制巷道的非对称变形,结果表明:穿层软岩巷道两帮浅、中、深部破碎范围分布不均匀,顶底板呈现非对称变形破坏特征,浆液扩散差异化显著,与层理、节理的不均匀分布密切相关;采取中空锚杆索浅深部和高低压相结合的注浆方式,对破碎岩体节理和岩层层理进行胶结,高强度锚网索将胶结后的节理和层理进一步进行挤压加固,设计"三次喷浆+高强锚网索+中空注浆锚杆索+底板硬化"全断面联合支护方案,在现场得到成功应用,可为类似穿层软岩巷道的控制提供参考。     

乔后盐矿巷道变形收敛的观测及结果分析

叙述了对乔后盐矿井下巷道进行变形和收敛观测的结果，分析了观测数据，主要结论：自６０年代以来该矿岩盐巷道的收敛速度已明显加快，垂直方向的日平均收敛量已由６０年代初期的约０．５３ｍｍ增至现在的０．９～１．１ｍｍ，但巷道围岩目前仍处于稳定蠕变阶段；矿体周围的原岩应力场为自重应力场，原岩垂直应力大于水平应力。     

大型地下水封石油洞库围岩完整性、变形和稳定性分析

围岩完整性、变形和稳定性对地下水封石油洞库建造具有至关重要的影响。以我国首个在建的大型不衬砌地下水封石油储备库项目为背景,运用弹塑性理论,在室内岩石三轴试验基础上,研究了花岗岩地层大型不衬砌地下水封石油洞库围岩的完整性以及变形和稳定性。研究表明:岩石的完整性从剪胀出现开始受到破坏,采用剪胀起始点对应摩擦角可对地下工程围岩开挖松动区进行估算;该大型地下水封石油洞库洞室开挖松动区范围从0~15.6m不等,且与埋深成正比;由于开挖过程中应力路径与剪胀线关系不同,各洞室间中墙完整性变化趋势存在差异;洞壁围岩位移方向与山丘地表走势相关,拱顶沉降和水平收敛值在8~45mm之间;在洞室底板位置出现了拉应力区,在洞库两侧边墙下端和起拱处出现高剪应力区,在开挖过程中可能出现局部破坏现象。     

高地应力地区围岩劈裂破坏现场监测和能量耗散模型及应用

随着计算机的发展,数值模拟等技术在岩土领域的应用也越来越广泛。在进行埋深较大的地下洞室施工时,由于岩体的脆性特征,在高地应力作用下,洞室围岩容易出现劈裂破坏。因此,在深部岩体开挖过程中,对于围岩的劈裂破坏区域的预测格外重要。但是目前在现有的计算模型中,尚没有能够很好描述劈裂破坏特性的有限差分本构模型。本文从能量耗散原理出发,结合了横观各向同性模型,采用劈裂破坏准则对模型单元应力状态进行判断,利用FLACE3D的二次开发功能,在C++的编译环境下对模型进行如下改进,在原有模型中导入能量耗散理论和加卸载判据,得到新的自定义横观各向同性计算模型。该模型可以判断岩体所处的加卸载状态,并根据岩石状态使用不同的力学参数进行计算,并且还能够描述高地应力地区围岩产生竖向劈裂裂纹后,不同方向上围岩的不同力学性质。在此基础上对大岗山水电站大型地下洞室群开挖过程中的稳定性进行了计算。另一方面,在大岗山水电站大型地下洞室群开挖工程现场开展了洞周围岩劈裂破坏区的监测,采用钻孔电视、滑动测微计以及形变电阻率三种观测方法,测得了主厂房在进行各个开挖步开挖时,主厂房与主变室之间岩桥中围岩的位移以及劈裂破坏的情况。之后,将现场监测结果与不同本构模型的稳定性分析的计算结果进行对比。并得到以下结论：根据监测结果,大岗山水电站地下洞室群在进行开挖时,主厂房下游边墙围岩的劈裂区平均深度约为13~15m,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算所得主厂房下游边墙劈裂区平均深度约为13.6m,二者十分接近;主厂房洞室在进行开挖施工后,随着与临空面的距离增加,围岩内部关键点的位移逐渐减小,在靠近主变室边墙附近,由于又形成了新的劈裂破坏区,因此围岩关键点位移又逐渐增加,考虑能量耗散的横观各向同性模型可以较好的反应围岩位移变化趋势,与监测曲线吻合度较高,而使用摩尔库伦模型以及横观各向同性模型计算得到的曲线则与监测曲线有较大区别;根据稳定性分析结果,主厂房下游边墙吊车梁位置关键点和主厂房洞中关键点开挖后洞壁出现的位移较大,其最大水平位移为29.46mm。主厂房拱顶在开挖的初期位移较大,拱顶竖直位移最大值为10.58mm。主变室拱顶竖直位移为10.06mm。结果表明,对比其他现有的有限差分模型,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算结果与实际监测值最接近,可以反应不同开挖步时,围岩内部关键点位移的变化趋势。因此在高地应力地区地下洞室开挖时,可以使用该模型对洞周围岩的劈裂区进行计算与预测,以及在洞室开挖完成后对洞室围岩的稳定性进行分析,并参考计算结果对关键区域加强监测与管理,从而减小围岩劈裂破坏对洞室稳定性的影响。     

Elman网络在地下洞室变形预测中的应用

地下洞室开挖后，洞室将产生一定的变形，若变形速率过大，将影响洞室的稳定性，洞室施工期稳定性通常以隧洞变形总位移量表示的相对位移值为判据，受各种施工因素的影响，监测点并不能完全紧跟掌子面布设，致使洞室开挖后部分重要的前期位移释放值丢失。采用遗传进化算法搜索最优的Elman神经网络结构，大大提高了网络学习和预测能力；并利用Elman映射动态和适应时变特性的能力，以现场实测期数据作为训练和检测样本，建立仿真预测模型，用该模型前推丢失位移值；以前推位移值修正实测值，得到实际位移值，并应用于评价围岩的稳定性。实践表明，该方法不仅简单而且是可行的。     

深埋巷道破裂围岩位移分析

针对深埋巷道围岩普遍处于破裂状态的特点，采用非连续变形分析（DDA）软件对巷道围岩松动圈非连续体位移影响因素的变化规律进行了模拟研究．分析了用锚杆、锚索和注浆加固以增加围岩破裂面的黏结力、抗拉强度和内摩擦角的数值朱减少位移量的机理，提出了非连续体巷道失稳破坏的判断标准，并对埋深1159m的大松动圈围岩巷道的非连续体位移进行了定量计算和实地观测．实测结果与DDA软件计算值比较吻合，说明对于深埋巷道破裂围岩采用DDA方法进行位移计算和支护参数设计是可行的．