西龙池地下洞室围岩的现场监测及其稳定性分析

西龙池地下洞室群围岩呈缓倾角互层状结构，层理发育，岩性复杂，洞室开挖过程中，各种地质因素交互作用，洞室问相互影响。对复杂变化地质环境下的主厂房围岩进行了各种因素作用下的综合稳定分析，并依据多种测试手段，对开挖后围岩的稳定性和变形进行实时监测，掌握了洞室层状围岩变形破坏特征。以地下洞室开挖为算例，研究了围岩的力学动态，得出一些有益的认识和结论。围岩位移量计算结果与监测数据较好吻合，为施工开挖步序提供了可靠的依据。     

地应力对地下洞室开挖的塑性区影响研究

结合河南宝泉抽水蓄能电站地下洞室开挖过程的三维非线性分析，讨论了地应力场中侧压力系数对围岩塑性区分布的影响。其中，岩体材料为理想塑性，屈服准则采用Druc ker-Prager准则，从理论上推导了地应力中侧压力系数和材料参数与围岩塑性区之间的关系，主要是对洞室中典型的马蹄形洞室的3个最易出现塑性的区域进行了研究，得出了它们的塑性区分布规律与侧压力系数的关系。在河南宝泉抽水蓄能电站洞室开挖过程的三维非线性分析中，验证了这个规律。这些规律和认识可作为工程设计的参考和导则。     

低地应力区地下洞室围岩变形破坏有限元数值模拟研究

低地应力状态对相关工程岩体变形破坏和稳定性有重要影响,以西安市黑河水利地下工程泄洪洞为例,采用弹塑性二维有限元法通过对低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏进行了数值模拟研究。模拟结果表明:低地应力区洞室围岩变形破坏主要发生在垂直方向,水平方向的规模和程度均不及前者,同时总结分析了低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏规律及其特征。该项研究工作将有利于进一步研究低地应力区地下洞室围岩变形破坏机理与稳定性,它对保障地下洞室工程的顺利进行起到积极促进作用,具有重要的理论研究价值和现实意义。     

块体理论在低地应力区地下洞室围岩稳定性评价中的应用

以西北某市水利工程地下洞室泄洪洞为例 ,采用块体理论推导出了低地应力区地下洞室顶部和侧壁两位置处楔形体块体稳定性判别式。通过实例分析与计算 ,说明本文得到的围岩稳定性判别式正确且实用 ,这对进一步研究低地应力区地下洞室围岩稳定性具有重要的理论价值和实际意义。     

深部地下洞室施工期围岩大变形机制分析

大岗山水电站引水发电系统地下洞室埋深大,花岗岩因风化卸荷强烈,岩脉破碎带发育,应力较高。在施工过程中,岩脉、断层穿越的主变室部位出现较大的变形,严重影响施工安全与进度。采用地质调查和现场监测的方法,结合现场施工情况分析主变室围岩大变形特征和机制,提出2种可能的大变形破坏模式,分析影响围岩大变形的因素,并评价主变室的稳定性。研究结果表明:主变室围岩大变形主要受辉绿岩脉8 1和断层f59,f60控制,同时,地应力高、施工强度大、支护进度滞后加剧围岩的大变形。深部地下洞室施工期的地质调查及现场监测可以及时预测高应力区卸荷围岩的大变形,以确保洞室施工期的稳定安全。研究成果对类似工程具有重要的参考价值。     

地裂缝对洞室围岩稳定性影响的研究

以西安地铁的基本地质情况为工程背景,利用ANSYS分析软件,对穿越地裂缝处的洞室开挖进行了模拟研究,通过对比分析地裂缝处与非裂缝处围岩—支护系统的应力、应变变化情况,从而确定出地裂缝对隧道的稳定性有着决定性的影响。     

复杂地应力环境大型地下洞室围岩时效变形机制及力学模拟

提出复杂地应力环境下大型地下洞室开挖围岩时效变形机制及其力学模拟方法。基于变形监测资料和岩体力学分析认为,中高地应力条件下岩体由高围压环境急剧转变为低围压、高应力差环境的力学机制和工程开挖引致围岩扰动破坏的空间效应是复杂地应力环境中洞室围岩时效变形的主要作用机制。采用应力释放有限单元法模拟洞室动态开挖过程,通过引入时间因子,建立开挖荷载释放与空间扰动效应的时间相关函数,提出基于时效变形过程的开挖荷载分时分级释放方法和基于主、次级开挖松动区的围岩变形模量劣化模型。工程实例表明：该方法通过将开挖荷载释放与开挖扰动空间效应耦合计算,能够合理有效地模拟大型地下洞室施工开挖全过程围岩的时效变形力学行为,对于理解和控制复杂地应力环境大型地下洞室高边墙变形破坏行为和时空效应,优化洞室施工开挖支护与监测反馈等具有一定的应用价值和实践意义。     

各种形状洞室的围岩压力分析

洞室的围岩压力与洞室的形状、大小是有密切关系的，运用有限元法的基本原理，采用ANSYS软件对圆形、矩形和拱形洞室的围岩应力状态进行了数值模拟分析。并将其分析结果与规范规定及传统方法的简化公式求得的结果作了比较，得出了一些有益的结论，同时提出在实际中所需注意的问题。     

水电站地下厂房层状围岩现场监测及稳定性研究

对复杂变化地质环境下的主厂房围岩进行各种因素作用下的综合稳定分析,并依据多种测试手段,对开挖后洞群交叉部位的围岩位移、松动范围等进行动态跟踪监测.研究开挖过程中主厂房顶拱围岩的变形规律、围岩松动范围,并利用有限差分法对地下洞群各开挖步序的围岩位移进行计算分析.实时监测数据和理论计算成果对比分析表明:计算结果与监测数据较好吻合.因此研究成果对同类型大型地下洞群层状围岩变形破坏特征、变形规律、力学行为、松动范围的研究具有重要的参考价值,并对一些控制性指标的界定具有理论指导意义,同时对大型地下洞群的设计和施工具有一定的指导作用.     

大型地下洞室围岩稳定性的岩体结构控制效应研究

大型地下洞室围岩稳定性问题突出表现为大跨度、高边墙的巨大开挖面与岩体结构面组合而产生的围岩块体稳定性问题以及岩体结构对围岩变形破坏的控制和变形量预测问题.本文以三峡水电工程地下厂房为实例,通过大量的现场调查和实验及模拟分析,开展了大型地下洞室围岩稳定性评价中的岩体结构控制效应研究,重点是岩体结构对岩体质量及其宏观力学特性的控制效应.研究中以结构面网络模拟的结果为基础,以模糊信息优化技术、拉格朗日有限差分法、分形几何、损伤力学等技术、方法、理论为手段,初步解决了大型地下洞室的不同具体工程部位岩体质量及其岩体宏观力学参数的评价问题,为工程实践中这类问题的解决探索了一条新途径.论文主要内容包括以下几个方面:博士学位论文(1) 应用系统工程层次性理论,确定地下厂房区岩体结构面的分类原则和描述体系,通过对厂房区岩体结构面的系统调查、分类、统计研究,建立厂房区岩体结构面的确定性层次模型和统计模型.(2) 系统研究厂房区宏观贯通性结构面的工程地质特性及其工程控制效应,确定地下厂房中由控制性结构面和开挖面组合所产生的大型几何可移动块体的空间分布、规模、稳定状态及因素敏感性.(3) 通过对短小、断续性结构面统计特征的研究,将地下厂房区划分为5个岩体结构统计均质区,应用结构面网络模拟技术,研究各个岩体结构均质区结构面的发育分布特征,并以此作为岩体质量及其宏观力学特性研究的基础.(4) 在结构面网络模拟计算结果的基础上,应用模糊信息优化技术研究了厂房区各个岩体结构分区的岩体质量并与岩体基本质量指标[BQ]研究法、岩体质量指标RQD值研究法作了对比,结果表明以结构面网络模拟结果为基础,应用模糊信息优化技术进行岩体质量评价能够取得很好的效果.(5) 通过对已有的现场大型岩体变形试验结果的分析及相应试验点岩体结构分形特征的研究,建立了结构面分布的分形维数和岩体变形指标间的相关关系,并应用这种相关关系根据结构面网络模拟及分形维数计算结果确定缺少试验结果的地下厂房各具体工程部位的岩体变形指标而且应用于围岩稳定性计算.(6) 通过应用拉格朗日差分法对岩体强度指标的数值分析并与按连通率加权平均计算法及现场实验结果对比表明:模拟岩体力学实验与现场实验相结合可以简便易行地达到评价复杂岩体不同具体工程部位岩体强度参数的目的;按连通率加权平均计算法在考虑合理的折减系数情况下,可以简单快速地对缺少现场大型试验结果的具体工程部位实现岩体强度指标的估计.在此基础上研究了地下厂房各个岩体结构分区的围岩强度参数并应用于稳定性计算.(7) 通过结构面网络分形维数的研究,应用分形损伤耦合分析方法,研究了厂房区岩体的损伤特征,并引入"损伤度”的概念,建立了基于岩体损伤特征的岩体质量评价指标体系.(8) 分别应用二维及三维有限元数值模拟技术,研究了主厂房开挖后围岩二次应力场重分布的规律及岩体的变形破坏特征,从而对厂房开挖后围岩稳定性状况得出了明晰的认识.     

琅琊山抽水蓄能电站地下厂房洞室开挖与支护数值模拟

采用三维快速拉格朗日差分法(FLAC3D),对琅琊山抽水莆能电站地下厂虏洞室开挖与支护过程进行了数值模拟。研究了地质条件具有代表性的1#机组及较为复杂的2#机组剖面,对开挖后围岩的应力场、位移场及塑性区特征进行了比较分析,得出了一些建设性的结论,对工程的施工具有指导意义。     

大岗山水电站地下厂房洞室群围岩开挖损伤区研究

 以大岗山水电站地下厂房洞室为研究对象,通过施工阶段的围岩力学性状测试、开挖变形长期监测研究地下洞室开挖损伤区的分布范围和损伤劣化特征。以围岩变形和损伤区实测成果为基础,建立基于正交设计–支持向量机–粒子群算法的反演分析方法。通过对地下厂房洞室开挖损伤区的测试与监测、反演分析表明,损伤区分布范围约为临空面向岩体内部3～7 m范围,其中,围岩类别不同,其损伤区分布范围不同,损伤劣化程度也不同,具体表现为围岩质量越好,其损伤范围越小,但是损伤区岩体损伤劣化程度越高。相关认识是初步的,对类似重大工程的设计施工有一定的参考价值,但还需要进一步开展理论与工程实践研究。     

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。     

深埋地下厂房开挖程序及轮廓爆破方式比选研究

 合理的开挖程序和轮廓爆破方式是深埋地下厂房施工中的关键技术之一。首先总结并综合分析我国已建和在建的主要大型水电工程地下厂房的岩体开挖程序与轮廓爆破方式。在考虑岩体初始应力场和邻近炮孔的联合影响基础上,基于爆炸气体驱动的轮廓爆破裂缝扩展过程分析,论证了高地应力区强约束条件下预裂爆破形成裂缝的可能性。研究表明,地应力是影响预裂爆破形成裂缝的主要因素,当垂直于厂房轴线的水平向岩体应力超过10～12 MPa时,一般不应采用先预裂、再扩挖的开挖程序,而宜选用先拉槽、再预裂或光面爆破的开挖程序。     

在大型地下开挖中围岩块体稳定性分析

由于关键块体是地下工程开挖后首先失稳的块体，因此被引起高度重视。关键块体理论最初是由石根华提出的，该理论未深入探讨复杂多面体块体及块体出露位置的确定。Unwedge程序是由E．Hoek等依据关键块体理论而开发的用于分析块体稳定性的软件，该软件考虑的块体形态简单、仅考虑白重作用而不能确定块体的出露位置，使其应用受到较大的限制。结合大型地下工程，依据块体理论编制程序，该程序考虑动荷载的影响及复杂形态的块体，并能准确地判断块体的出露位置。最后将二者的计算结果进行比较。     

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。     

巷道围岩弱结构灾变失稳与破坏区域形态的奇异性

巷道围岩复合结构在矿井工程应力的作用下呈现复杂的、非均衡的变形破坏现象,围岩弱结构对巷道围岩破坏区域发育形态、结构变形破坏演变过程以及围岩稳定性等具有重大影响。按照复合结构特征与工程应力环境,将围岩弱结构分为岩性弱结构、几何弱结构和应力弱结构三大类别,主要有11种弱结构形式。巷道围岩弱结构变形破坏具有灾变失稳效应,即首先从弱结构部位发生破坏,其进一步扩展将导致围岩整体灾变失稳与支护体失效。探地雷达井下探测表明,巷道围岩弱结构破坏区域发育形态具有多样性和奇异性,在岩性差异较大的岩层界面上会发生奇异性变化,弱结构起着主控作用。提高弱结构部位的支护强度,实行非均称支护,可以有效地控制弱结构变形破坏的扩展及灾变失稳,具有控制围岩整体稳定性的特效。     

软弱夹层分布部位对洞室稳定性影响研究

应用奥地利大型岩土工程有限元分析系统FINAL研究了软弱夹层分布部位(拱顶、拱肩、边墙)对地下洞室围岩稳定性以及喷锚支护结构受力性状的影响。数值试验研究采用FINAL中独有的模拟接触面的COJO单元,该单元能够准确地反映软弱夹层在地下洞室开挖过程中的力学特性;数值试验成果对地下洞室的选址、支护结构的设计以及施工设计等具有广泛的借鉴意义与指导作用。     

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。