基于水压致裂法的隧道围岩地应力试验研究与岩爆预测分析

本文在分析水压致裂法测试地应力原理的基础上,结合隧道工程实际,采用水压致裂法进行隧道围岩地应力的测试研究分析工作,获取了隧道围岩的最大、最小水平主应力量值及最大水平主应力的方向,以及岩体破裂压力、岩体抗拉强度、岩体瞬时闭合压力、破裂面的重张压力等地应力及岩体力学参数,并根据隧道区的地应力资料,和岩石参数进行了岩爆预测分析,为隧道工程的设计、施工提供科学依据和技术支撑。     

主应力方向对隧道稳定性影响规律的研究

采用模型实验方法和数值模拟方法探究了马蹄形隧道在不同方向主应力作用下围岩从初始损伤到完全破坏的全过程,归纳分析马蹄形隧道在不同方向主应力作用下的破坏规律。数值模拟方法采用最大拉应变准则,计算出隧道周边各点的相当应力,与模型实验结果吻合较好。结果表明,马蹄形隧道裂纹的产生和扩展大致沿主应力方向,马蹄形隧道围岩的破坏模式随主应力方向而改变。破坏应力的最大值出现在主应力与隧道成60°左右时,破坏应力的最小值则出现在主应力与隧道成45°左右和90°左右时,且45°左右方向的破坏应力与90°左右方向的破坏应力基本相同。     

地应力张量特征对地下洞室轴线方位优化的启示

高应力是深埋洞室工程围岩变形和稳定的主控因素,初始地应力对洞室围岩的力学效应主要包括开挖释放荷载和偏应力状态两个方面;地应力与洞室轴线方位的特定组合决定了洞室开挖释放荷载的量值及围岩所承受偏压的程度。为量化既定地应力分布特征下地下洞室长轴线方位的选择区间,推导了一般条件下开挖洞壁面上的法向应力随洞室长轴线与最大主应力夹角的变化规律,并提出极大值和极小值贡献度两个指标,以度量主应力分量对法向应力的贡献。通过研究地应力张量在地下洞室特征平面上的应力椭圆特征随洞室轴线方位变化的方式,获得了围岩所承受偏压程度的变化规律;通过推导获得了地应力张量在水平面内大主应力方位角的解析公式,从理论上证明了当洞室轴线与地应力张量在水平面内的大主应力平行时,地下洞室开挖释放荷载取最小值。结合锦屏一级地下厂房对上述方法进行案例分析,结果表明:当洞室轴线与地应力张量在水平面上的大主应力平行时,开挖释放荷载取最小值;但一般情况下,很难使开挖释放荷载和偏压应力状态同时达到最优。对地下工程围岩稳定的影响而言,地应力是否有利取决于地应力张量的构成特征,因此,应注重对地应力张量空间特征的全面解析。     

地应力张量特征对地下洞室轴线方位优化的启示

高应力是深埋洞室工程围岩变形和稳定的主控因素,初始地应力对洞室围岩的力学效应主要包括开挖释放荷载和偏应力状态两个方面;地应力与洞室轴线方位的特定组合决定了洞室开挖释放荷载的量值以及围岩应力所承受偏压的程度。为了量化既定地应力分布特征下地下洞室长轴线方位的选择区间,推导了一般条件下开挖洞壁面上的法向应力随洞室长轴线与最大主应力夹角的变化规律,并提出极大值和极小值贡献度两个指标以度量主应力分量对法向应力的贡献。通过研究地应力张量在地下洞室特征平面上的Mohr应力圆特征随洞室轴线方位变化的方式获得了围岩所承受偏压程度的变化规律;同时,通过推导获得了地应力张量在水平面内大主应力方位角的解析公式,从理论上证明了当洞室轴线与地应力张量在水平面内的大主应力平行时,地下洞室开挖释放荷载取最小值。结合锦屏一级地下厂房对上述方法进行了案例分析,研究结果表明,当洞室轴线与地应力张量在水平面上的大主应力平行时,开挖释放荷载取最小值;然而,开挖释放荷载和偏压应力状态同时达到最优是困难的。对地下工程围岩稳定的影响而言,地应力是否有利取决于地应力张量的构成特征;因此,应注重对地应力张量空间特征的全面解析。     

利用应力解除法测量显德旺煤矿地应力

在实测地应力的基础上，对测量结果进行了分析。结果表明：显德汪煤矿垂直应力近似等于上覆岩层的自重应力，最大主应力为北东方向，且为近水平压应力。研究结果与华北地区地应力场总体变化规律相类似。     

深部地应力实测与巷道稳定性研究

初始地应力是地下工程围岩稳定与支护结构设计的一个基本参数.在山东唐口煤矿井下回风石门、西翼辅助运输石门不同构造部位的三个测点采用空心包体应力解除法进行了现场应力实测工作.测点的埋深达1024~1030m.文章详细介绍了三维地应力及其主应力的计算原理,并根据矿区实测地应力资料,分析了矿井地应力大小、方向变化和分布特征,进而获得了该矿区地应力的定性及定量资料,还初步分析了地应力对巷道稳定性的影响,为巷道的支护结构设计工作提供可靠依据.     

采场地应力分布规律及对巷道围岩稳定性影响分析

采用空芯包体应力法对桃园煤矿二水平地应力大小和方向进行了现场测试,由实测结果可知,二水平岩体地应力场宏观上属于水平构造应力场,最大和最小主应力倾角均值小于10°,最大主应力是最小主应力的1.58～1.84倍,中间主应力与垂直应力较为接近,随埋深的增加垂直应力相应增大。依据巷道轴向与最大水平主应力方向倾斜程度,对二水平采区主要巷道进行了稳定性分析,26.8%的主要大巷和66.7%的采区巷道受最大水平主应力影响为3级,表明主要大巷布置较为理想,而采区巷道矿压显现剧烈,还有较大的优化空间。     

偏压隧道CD法导坑开挖顺序数值分析

根据隧道开挖与支护过程中围岩应力变形规律,提出"二次平衡"概念.基于浙江省境内一偏压公路隧道的设计、施工以及地质情况,采用有限元软件ADINA模拟CD法不同顺序开挖导坑的施工过程,对比分析地面、围岩位移以及初期支护和二次衬砌的最大主应力.结果表明:地面沉降以及围岩最大位移都与导坑开挖顺序有关.从埋深大的一侧开挖导坑比从另一侧开挖导坑初期支护最大主应力小21.6%,二次衬砌最大主应力小35%.拱底是支护结构的薄弱部位,在设计、施工时要引起足够的重视.最后经过综合分析,确定了从埋深大的一侧导坑开挖为优选方案,可为同类隧道的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考.     

深部矿井三维地应力特征及其对巷道稳定性的影响

地应力是影响矿山地下工程围岩稳定性的重要因素之一.为了解狮子山矿区应力状态及分布规律,应用空心包体三轴应变计,采用套孔应力解除法对矿区开展了三维地应力实测.通过实测获得该矿区深部4个中段4个测点的三维应力状态.对实测数据系统分析,获得了矿区地应力场的分布特征,验证了狮子山矿区地应力场以水平构造应力为主导,最大水平主应力的走向为NNW-SSE向,最大、最小及中间主应力随深度基本呈线性增长关系.基于深部三维地应力实测结果和工程地质条件,采用FLAC3D软件分析了巷道轴向与最大主应力方向不同情况下巷道围岩的破坏情况.研究成果为狮子山矿区深部开拓工程和采场的合理布置提供了可靠的依据,对矿山后续安全高效生产具有重要的指导意义.     

基于有限元数学模型的隧道围岩初始地应力场反演

由于初始地应力场的分布是影响隧道围岩稳定性的重要因素之一,得合理有效地模拟地应力场的分布在隧道工程中的应用显的尤为重要.本文根据地应力实测数据和有限元数学模型,提出了区域构造应变回归分析方法.在此基础上结合工程实例,运用构造应变同归分析和当前应用广泛的边界应力同归分析两种方法模拟了隧道围岩的地应力场的分布,并对两种方法...     

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Mogi‐Coulomb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。     

水工隧洞支护特性研究

以某水工隧洞为工程背景,采用D-P屈服准则,考虑了水应力的影响范围,利用ANSYS软件进行了水工隧洞三维弹塑性有限元计算分析.分别研究了衬砌支护材料的选择对隧洞稳定性的影响、开挖过程和应力旋转对支护时机选择的影响.计算结果表明:随着衬砌支护材料弹性模量的提高,隧洞顶部和底部分别有上弹和下沉的趋势,隧洞的稳定性有所提高;隧洞的开挖步骤和应力旋转对衬砌支护施做时机的选择有重要影响.     

井壁稳定性的断裂损伤力学分析

为了研究石油工程中的井壁失稳问题,将断裂力学和细观力学相结合,给出了一种新的计算方法.根据断裂力学和微观损伤力学原理,研究了脆性岩石中含微裂纹的扩展条件、扩展方向和变形机理.由井壁附近的应力状态和岩石破坏准则,建立了井壁坍塌和地层破坏的力学计算模型,并对井壁稳定性的问题中的井壁坍塌和地层破坏进行了定量的分析,确定了钻井液密度的范围.所给出的计算结果与传统的油井工程中采用的摩尔-库仑准则所得出的结论相同.同时通过细观力学分析和考虑岩石断裂韧性的影响,提出了岩石的内禀断裂应力的概念.此概念将揭示岩石变形机理的本质,并为钻井工程设计提供理论参考依据.     

影响断层再活动的一些因素的研究

本文论述了断层活动引起地震的机制和影响断层活动的因素,利用建立在一能模拟断层岩石的粘弹塑性力学性质的模型的基础上的数值分析方法,着重研究了区域应力场、断层岩石的力学性质及其规模对断层活动的影响。结果表明,区域应力场的主压应力方向对断层的活动影响最为显著。     

海底隧道突水分析及其在翔安隧道中的应用

基于岩体极限平衡理论,分别对海底隧道正常地质段和断层处的突水机理进行了力学分析,给出了隧道突水的临界水压力公式.以翔安隧道2个风化深槽及2个断面为例进行了突水风险计算预测.分析表明:正常地质段,隧道突水临界水压力随着隧道半径的增大而减小,随着围岩的单轴抗压强度的增大而增大,随着隧道埋深的增大而增大;断层处,当破碎带倾角大于或等于围岩内摩擦角时,存在突水的可能,且破碎带倾角愈大、内摩擦角愈小,突水的可能性就愈大.     

地震对隧道围岩稳定性影响的数值模拟分析

利用ANSYS软件的谱分析，研究了地震对隧道围岩稳定性的影响规律，得出在不同岩性、跨度、地震波的类型情况下地震作用对隧道围岩产生拉应力和位移的特征，指出围岩的位移差异是破坏衬砌的主要原因，提出隧道支护应注意的问题，定量解释了大量调查资料中地震破坏隧道现象的成因。     

复合地层TBM隧道管片受力特征

在复合地层中, 全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)在施工时由于隧道埋深较大, 开挖后的隧道周围土体应力重分布, 导致周围岩石会产生向洞内挤压而使管片受到破坏。利用大型有限元数值软件ANSYS和有限差分软件FLAC^3D对下穿地层段进行模拟, 综合分析隧道施工管片的应力、应变等, 提出合理的监测方法和保护措施。研究表明: 在仅考虑双隧道施工后地层应力重分布对衬砌管片的影响时建议双隧道同时施工, 管片位移受隧道施工的方向影响较小; 在施工过程中双隧道管片两相邻侧会发生较大水平位移, 必要时需要对管片内侧进行监测和加固等措施。     

高应力软岩巷道耦合支护研究

为了研究确定高应力软岩巷道二次支护时间和支护强度，以焦煤集团古汉山矿西大巷为研究对象，采用FLAC加中的指数蠕变模型，研究分析围岩应力和围岩变形速度随时间的变化规律、二次支护时间及支护强度对围岩变形的影响规律．结果表明：采用指数蠕变模型得到的围岩变形随时间的变化规律与现场观测基本吻合，一次支护后围岩应力、围岩变形速度趋于稳定的时间段基本一致，在此时间段内进行二次支护后围岩蠕变速度最小，而且二次支护强度在0．25～0．30MPa范围内可以有效地控制围岩蠕变速度，二次支护强度大于该范围，围岩的蠕变速度也不会再有明显的降低，保持了巷道稳定．