超大埋深高地应力软岩隧道衬砌设计研究

围岩初始地应力场是隧道工程稳定与支护结构设计所需要的基本因素之一，在超大埋深高地应力软岩隧道衬砌设计过程中，如何合理确定围岩压力并进行衬砌针对性设计参数是工程师关注的重要问题。以某铁路超大埋深高地应力软岩隧道为研究对象，从理论推导和数值模拟两个方面出发对围岩压力进行研究，即基于卡斯特耐尔拓展公式理论推导确定围岩压力和基于ANSYS有限元分析软件进行三维地应力场模拟，研究了不同地应力水平和预留变形量组合下的围岩压力，并对三维地应力场模拟结果进行分析探讨；通过上述方法确定围岩压力后，建立有限元分析模型对高地应力软岩隧道衬砌参数(以Ⅳ级围岩为例)进行设计，检算衬砌参数可靠性并形成成果，可以为类似工程提供参考。     

输水隧洞穿越典型断面围岩结构安全分析

复杂地质条件是影响TBM输水隧洞结构安全的重要因素，以某引水工程中输水隧洞为研究对象，理论推导了渗流—应力全耦合作用的数学模型，针对TBM输水隧洞穿越断层和最大埋深段，建立三维有限元模型，计算分析围岩初始地应力场、渗流场，以及不同工况下围岩位移、塑性区和应力的分布规律，研究结果表明：初始地应力和孔隙水压力随着埋深的增加而增大，最大埋深处和断层处初始地应力分别达到1.342MPa、0.680MPa,孔隙水压力分别达到0.260MPa、0.200MPa;开挖过程中，断层和最大埋深段隧洞拱顶沉降量基本接近，相对差值仅为0.11%,而拱底抬升量差值较大，达到31.28%;断层处围岩塑性区主要出现在隧洞两侧，最大深度为2.920 m,最大埋深处围岩塑性区主要出现在隧洞拱顶，最大深度为8.627 mm;围岩最大压应力在断层和最大埋深段分别为7.987MPa、6.510MPa;内水压力作用，围岩位移和最大压应力相对于开挖阶段均有一定程度的降低。     

岩质隧道围岩压力影响因素分析

采用经典理论公式法、解析计算和数值模拟分析3种途径详细分析了隧道埋深、初始地应力、跨度、侧压力系数、隧道断面形状及岩体物理力学参数对隧道围岩松动压力的影响规律。结果表明:当围岩处于弹性状态时,围岩松动压力与隧道埋深、初始地应力和岩体容重呈线性正比关系;围岩竖向松动应力与侧压力系数呈线性反比关系,而水平向应力与侧压力系数呈线性正比关系;隧道断面形状对围岩松动压力有一定影响;岩体变形模量、黏聚力、内摩擦角和泊松比对围岩松动压力的影响可以忽略。同时,分析了这些方法的不足之处。     

某软岩水工隧洞围岩地应力分布规律及对围岩稳定性的影响

采用水压致裂法对某软岩水工隧洞进行地应力测试,并利用FLAC数值模拟分析主应力方向和大小对隧洞围岩位移、塑性区等破坏特征的影响。结果表明：随埋深增加,最大水平主应力、最小水平主应力及垂直应力基本均呈线性增加。随主应力方向与隧洞轴向夹角、主应力大小增大,破坏程度逐渐严重;深埋软岩隧洞围岩预留变形量约为200 mm、中等挤压变形程度。研究成果可供类似围岩稳定性评价、设计、施工参考。     

金川水电站地下洞室围岩初始地应力分布规律研究

大型地下洞室群岩体初始地应力分布规律对洞室开挖过程中的围岩稳定有着重要影响。采用水压致裂法对岩体初始地应力进行量测;在有限元软件Miads中,以实际地形建立大范围的有限元模型,对地下洞室群附近岩体的初始地应力场进行反演分析。结果表明,地应力大小分布与地表地势高低具有一定关系,距离岸边一定范围内,靠近河谷方向主应力由增大转为减小;地下洞室围岩最大主应力值为5.81～8.31 MPa,最大水平主应力方向集中在N65°E～N80°E,量值为4.0～6.0 MPa,水平侧压力系数为0.69～1.28。地下洞室围岩应力场由自重应力和构造应力叠加而成,属于低应力地区。     

变质岩区深埋长大隧道初始地应力场反演研究

初始地应力场是岩土工程设计和施工所要考虑的首要因素。依托十房(十堰至房县)高速通省隧道地应力量测资料,调整不同组合的侧压系数,获得了隧址区岩体多组地应力。利用残差函数,分别计算了各向同性与各向异性本构关系下每一组侧压系数的残差,并进行了对比分析,确定了不同本构关系的最优侧压系数。利用获得的侧压系数,反演计算测试点的地应力,通过与实测结果的对比分析确定了与隧址区岩体适宜的本构关系,最终得到了隧道的初始地应力场分布规律。研究表明,初始地应力场与隧道的埋深和地形地貌有关,且通省隧道更适于在各向异性本构关系下进行地应力场反演,误差幅值约为10%。     

及时支护隧洞变形规律研究及稳定性评价

针对软岩及土质隧洞围岩强度低、稳定性差及现有隧洞围岩稳定性评价方法对及时支护隧洞的不适用性,通过数学模型试验系统研究了弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、埋深、洞径和侧压力系数等与需及时支护隧洞拱顶围岩变形和喷层受力的相互关系,并据此探讨了以支护结构安全性为标准的隧洞围岩稳定性评价新理念。该理论在新疆库尉输水工程的成功应用表明其具有较好的可靠性。数值试验结果显示各因素对拱顶围岩变形和喷层应力影响显著,且对大主应力的影响尤为明显,随变形的发展喷层拱顶处应力主轴对调,大、小主应力名称互换。喷层大主应力随弹性参数的增大而增大,随强度参数的增大而减小。该研究成果能为软岩隧洞工程的设计和施工提供理论指导。     

高地应力条件下隧道TBM施工岩爆分析

高应力条件下,地下工程在脆性岩体中施工很容易导致岩爆的发生。以N-J水电站大埋深引水隧洞为研究对象,首先采用应力解除法进行现场地应力测试,发现引水隧洞的地应力以构造应力为主,最大主应力达到了107 MPa,较高的地应力水平是导致现场岩爆发生的主要原因。为进一步分析引水隧洞岩爆规律,将地应力场转换至隧道局部坐标,在考虑地应力场剪应力影响的情况下,采用能量判据,通过数值方法计算得到了岩爆的分布范围。     

区域构造背景下的地应力反演分析——以夹岩水利枢纽及黔西北供水工程为例

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程位于贵州省毕节市及遵义市境内,其供水隧洞线路长、埋深大,地质条件复杂,软岩及高地应力问题突出。但工程区内仅获取两组地应力测点,为了在少量测点情况下较为可靠地获得工程区初始地应力场的分布规律,提出了结合区域构造背景的地应力场反演分析方法。首先,依据我国西南地区区域构造背景,结合夹岩工程区的褶皱和构造发育特征,确定工程区的主构造方向;其次,考虑工程区地质演化历史,建立了地应力反演模型,并采用侧压力系数法对地应力场进行反演;最后,基于弹性理论,推导了考虑构造荷载和岩体剥蚀影响的地应力分布解析式。分析结果表明:①实测点处反演结果与实测值基本一致,工程区应力场以水平构造为主;②理论计算值与反演结果吻合较好,地应力分布解析式能较好地反映岩体剥蚀对地应力场的影响规律。     

不同岩性侧压系数分布规律的统计分析

通过收集我国大鼍的已有地应力实测资料,建立了岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类岩石的平均水平主应力与垂直应力之比随埋深的散点分布图,并采用与霍克(E.Hoek)和布朗(E.T.Brown)同样的回归方法进行了回归分析,发现不同岩石间地应力的分布规律存在一定差异,其与岩石成因密切相关.为更进一步研究不同类岩石间地应力分布规律的差异,另统计分析了地应力与岩石弹性模量间的关系,结果发现岩石弹性模量对最大主应力影响大,而对中间和最小主应力影响小.该统计结果可深化对我国宏观地应力场的分布特性及地应力场影响因素的认识.     

基于地应力实测与能量判据的深埋隧道岩爆预测

根据巴基斯坦N-J水电站TBM引水隧洞地质构造和岩体赋存状况,采用套孔应力解除技术对深埋TBM隧道进行了现场地应力实测,进而依据地应力场分布差异将其分为构造和非构造应力影响区。岩石力学室内试验结果表明:砂岩的储能极限对卸载速率不敏感,在一定初始围压下基本为定值。在此基础上,从岩爆能量角度采用数值模拟分析揭示深埋隧道围岩能量分布变化规律,预测不同埋深、不同地应力场条件下隧洞岩爆的级别及规模范围。研究成果可为深部地下工程岩爆的预测提供一种新的思路。     

地下洞室屋脊形软弱结构面的力学分析

一、前言圈岩稳定是水电站地下洞室设计和施工中的一个重要问题。影响洞室围岩稳定的因素很多,如初始地应力场、围岩强度、软弱结构面、洞室体型、洞室尺寸、洞室群相互作用、施工开挖过程及支护情况等。其中,软弱结构面是     

三河口水利枢纽工程坝址区河谷应力场分析研究

三河口水利枢纽工程地处东秦岭地区的河谷地段,复杂地质结构和复杂地形地貌决定了工程区地应力分布的复杂性。为了研究其地应力分布情况,采用水压致裂法在左右坝肩边坡和河床部位3个钻孔进行现场地应力测量。测试结果表明：河床部位测孔埋深0～50 m及两岸边坡测孔500～530 m高程岩体应力量值较大,可划为应力增高区;而河床测孔埋深50 m以下和边坡测孔500 m高程以下,可归为原岩应力区;河床浅部岩体最大水平主应力方位与河流走向基本垂直,随着埋深的增加而向区域构造方位靠近;边坡浅层岩体最大水平主应力方向与河流在该段走向呈小角度相交,随着竖直埋深的增加,最大水平主应力方位逐渐向NE向过渡,而接近区域构造方位。     

南水北调西线达曲—泥曲段地应力场反演分析

初始地应力场是大坝开挖建基面、隧洞选线等的重要依据,为解决初始地应力现场实测测试费用昂贵、测试周期长、现场试验条件艰苦等问题,采用均匀设计方法和三维显式有限差分法,对南水北调西线达曲—泥曲段岩体地应力场进行了反演分析,获得了岩体地应力场沿深度的分布规律及最大主应力方向。     

抢风岭隧道围岩地应力场研究及岩爆预测分析

为了研究抢风岭隧道工程区地应力分布情况,采用水压致裂法进行了地应力测试。根据测试成果,结合有限单元法及多元线性回归对工程区应力场进行了分析。回归分析结果显示：沿隧道轴线,最大水平主应力大于自重应力,该地区是以水平应力场为主导,最大水平主应力方向总体上接近NE向。最后,根据地应力资料对隧道围岩进行了施工期岩爆预测分析,表明在埋深270～400 m完整坚硬的岩石洞段,施工期有发生中等岩爆的可能。     

深切河谷区地应力场的非线性系统分析方法

地应力测试结果的代表性受断层及岩组条件、测点空间位置和测试方法精度等因素的影响较大。以往地应力模拟分析在引入地应力实测信息时,往往给各测点赋予相同的权重,使得离散测点和代表性不足的测点离差平方和较大,从而影响模拟分析精度。提出了深切河谷应力场非线性系统分析方法,该方法首先根据测试方法、地形地貌的影响及断层的扰动,对测点赋予不同的权重值;然后结合加权最小二乘法建立计算模型边界条件和地应力之间的加权目标函数;最后结合正交设计和智能优化反演方法,对数值计算模型边界条件与地应力之间的非线性映射关系和进行优化求解。该方法用于乌东德水电站坝址区岩体应力场的研究结果表明:计算值和测试结果的复相关系数达到了0. 89,在河床底部100 m的范围内存在明显的应力集中,且河床浅部岩体最大水平主应力方位与河流走向基本垂直,随着埋深的增加该方位朝场区主压应力优势方位靠近;边坡浅层岩体最大水平主应力方向与河流在该段走向呈小角度相交,随着竖直埋深的增加,最大水平主应力方位逐渐向NE向过渡,与河床部位相同高程部位的最大水平主应力方位一致;而深部岩体接近场区主压应力优势方向。     

岩体结构面及高地应力对水工隧洞洞线布置影响的中挪经验对比

隧洞设计中洞线布置尤为关键.文章对比了岩体结构面及高地应力两个因素对洞线布置影响的中国和挪威经验,对比发现两国都认为洞线需与围岩结构面保持尽量大的交角,在交角大小的建议上国内规定更加严格,挪威经验中给出了多组结构面条件下确定洞线方向的具体建议.在高地应力区,国内强调洞线应与最大水平地应力保持尽可能小的交角,挪威经验则基于最大主应力的平面投影,挪威经验还建议了主应力和层状结构面方向接近情况下的注意点.     

基于极限分析法原理的浅埋隧道围岩受力监测对比分析

浅埋段隧道覆盖土性质随埋深和地形条件影响会发生变化。文章结合隧道上方覆盖层塌落体围岩自承能力及形成机理,基于塑性理论对隧道浅埋段围岩压力进行分析。研究结果表明:围岩压力随上部覆盖土层厚度增加而增大,且增加速率随覆盖层厚度的增大而减小,并逐步趋于固定值;覆土厚度和围岩力学参数是塌落面形状主要影响因素;浅埋偏压隧道的稳定性随着隧道两侧和底部支护结构功率增大而提高;随着围岩黏聚力、内摩擦角的增大,深埋侧和浅埋侧围岩压力都呈显著减小趋势。通过实际工程监测数据与新建公式计算值对比,证明了公式的适用性,为类似工程提供借鉴。     

湖南省桂阳抽水蓄能电站高压引水隧洞稳定性分析

为研究湖南桂阳抽水蓄能电站高压引水隧洞稳定性,在工程区开展了高压压水试验和地应力测试,定量描述了隧洞围岩在高内水压力作用下的渗透特性,分析了整个工程区特别是重要工程部位的岩体应力状态,在此基础上根据围岩条件、抗抬理论准则、最小主应力准则、渗透准则评价了高压引水隧洞的渗透稳定性。结果表明：(1)工程区水平主应力大小总体上随深度的增加而增大,3个主应力之间的关系为S_H>S_Z>S_h,属于走滑型应力状态,钻孔附近地壳浅表层的最大水平主应力方位平均为NW32°,高压岔管及厂房区域属中等-低地应力区。高压压水试验结果显示隧洞围岩属于弱至微透水岩体;(2)高压引水隧洞各洞段具有足够的埋深条件,满足抗抬理论准则,同时隧洞围岩的抗渗透能力及抗水力劈裂能力均较好,基本满足钢筋混凝土衬砌方案的要求。     

高第二主应力条件下大跨度洞室围岩变形破坏特征分析及支护措施

猴子岩地下厂房区域地质构造复杂,洞室群埋深大,位于以水平构造应力为主的高—极高地应力区。与一般高地应力情况不同的是,猴子岩厂区第一、第二主应力均较高,分别达到36.43 MPa和29.82 MPa,使得高地应力对洞室高边墙的不利影响不能通过调整厂房轴线来规避,这为洞室施工和支护设计带来较大挑战。从工程施工过程中出现的变形破坏现象以及位移、支护应力监测资料、声波检测资料入手,归纳高第二主应力下大跨度地下洞室群的变形破坏特征为:1岩爆现象普遍;2围岩变形量及破坏深度大;3锚固支护结构负荷水平高。对围岩变形破坏机理作初步探讨,并根据支护效果总结了高第二主应力下支护设计和支护措施的经验,可为高第二主应力条件下大跨度洞室围岩的稳定分析提供参考。