急倾斜层状岩体中巨型地下洞室群开挖施工理论与优化研究

洞室群的开挖顺序和支护是影响洞室稳定性的重要因素。应用三维断裂损伤有限元法和施工过程力学的基本原理，研究龙滩电站急倾斜岩层中开挖大型地下洞室群的稳定性及最优的施工方案，根据围岩的破损区及位移场的变化规律，提出了较优的开挖施工方案。其计算方法和一些结论可为国内的相关工程设计和建设提供借鉴。     

安徽屯溪花山谜窟35号窟顶板片状剥落研究

在中薄层砂岩中开挖的石窟,经常会发生顶板下沉、弯曲、冒落等病害,但顶板岩层薄片状剥落的现象不多。安徽屯溪花山谜窟对外开放后洞室顶板发生了严重薄片状剥落现象。研究表明,泥质粉砂岩的岩石结构和成份、砂岩中大量云母片沿层理方向呈定向排列及垂向上抗拉强度低均会引起洞室顶板变形破坏,开放前后环境温湿条件变化较大,顶板岩层产生大量平行于洞顶壁的片状剥落。本文着重对35号洞室顶板片状剥落物的岩石物理性质进行分析,认为因矿物的定向排列导致的结构各向异性对顶板片状剥落病害的发生起控制作用。     

复杂地下洞室群开挖方案优化

某地下洞室群,主洞室断面很大,支洞较多,距离较近,且断面变化复杂.考虑到支洞室开挖对主洞室围岩位移、结构受力的影响,特选择三种支洞开挖顺序用FLAC进行数值模拟.对比分析了三种开挖方法时引起的主洞室围岩周边位移、围岩塑性破坏区和主支洞交接处应力的变化特点,比选出较为有利的开挖方法,并得出了一些有意义的结论,可供类似复杂洞室群的开挖方案参考.     

节理岩体地下洞室稳定性的静动力响应分析

节理岩体地下洞室在地震作用下的安全响应是众多专家学者关注的问题之一,本文针对该问题采用三维离散元法研究节理地下洞室的稳定性,建立了一个含节理组的地下洞室模型进行分析研究。分别对洞室开挖后在常规荷载作用下的响应、洞室开挖后在地震荷载作用下的响应以及开挖支护后在地震荷载作用下的响应等三种工况进行模拟,得出了洞室在三种工况下的应力和位移变化情况。研究表明:地震对洞室的破坏非常大且时间短暂,支护后的洞室围岩能够使破坏时间延迟,在一定时间内增强了洞室围岩的抗震能力。本文的工作不仅对含节理的地下洞室开挖后的围岩变形和支护提供借鉴,而且对地下洞室和隧道的抗震设计具有指导意义。     

合理开挖地下洞室洞形初探

以地下洞室开挖前后洞室周边的应力第一不变量为评价指标,变化大小作为判断标准,对地下洞室合理开挖洞形的确定进行了一些分析和探讨,并对圆形和椭圆形地下洞室的应力状态进行了分析,得出具有一定轴比关系的椭圆形为地下洞室开挖的合理洞形的结论。     

陡倾角沉积岩地层中大型地下厂房开挖围岩 变形失稳特征和反馈分析

 介绍彭水水电站地下主厂房洞室施工过程中高边墙围岩的变形破坏特征、相应的加固处理措施以及围岩监测成果等;在此基础上,开展主厂房围岩施工期的动态反馈分析。研究结果表明：对于陡倾角层状岩体中开挖的大型地下洞室群,围岩中分布的软弱结构面和岩层层面对上、下游边墙的变形与稳定起着控制性作用,陡倾角、顺向岩层组合的高边墙其变形失稳模式以典型的滑移破坏为主;而陡倾角、逆向岩层组合的高边墙则以沿层面的张裂、折断、倾倒变形后的坍塌破坏为主。通过开展施工期围岩监测反馈分析,为彭水水电站地下厂房的动态设计和信息化施工提供了重要依据。     

水电站地下厂房开挖过程弹塑性数值分析

采用三维弹塑性有限元计算,对某水电站地下厂房开挖过程进行了数值模拟,分析了开挖过程中毛洞周边围岩位移和应力的变化规律,分析结果表明厂房由于洞室围岩比较破碎,围岩开挖变形量较大,洞室的稳定性较差,开挖后要及时施工支护结构。     

谈水电工程洞室开挖施工控制

针对水电工程洞室开挖工程量大,施工难度高,施工周期长的特点,介绍了具体工程施工方案拟定及优化的方法,并从施工前准备、测量放样、钻爆试验等方面阐述了水电工程洞室开挖施工的关键环节,以确保洞室工程顺利进行。     

桐柏抽水蓄能电站地下洞室群开挖的三维非线性仿真计算

对桐柏抽水蓄能电站地下洞室群开挖过程进行了三维非线性有限元计算和分析,得到了各工况下洞室开挖后围岩的变形和应力状态以及锚杆的应力数值,同时分析了塑性区的发展过程和分布范围。从而全面地了解洞室在施工过程中的变形和受力特征．掌握了洞室开挖过程中的稳定性特征。计算结果不但为桐柏抽水蓄能电站地下洞室的设计、监测和施工提供有价值的研究成果,具有重要的参考价值,而且所采用的方法和计算策略,对于同类工作也具有较大的参考作用。     

某地下厂房围岩稳定的弹塑性数值分析

采用二维弹塑性有限元法,分析了洞室群在开挖过程中和开挖完成后的变形特征与应力变化,给出了施工过程中洞室群出现拉应力与塑性区的部位。     

高地应力下大型地下洞室群开挖顺序 与支护参数组合优化的智能方法

 针对高地应力下围岩变形破坏的特殊性以及大型地下洞室群开挖支护优化计算量大的特点,在三维弹塑性数值计算的基础上,采用反映高地应力下脆性岩石变形破坏特点的新本构模型,提出基于弹性释放能、塑性区体积、洞室周边位移与支护费用的地下洞室群开挖顺序与支护参数组合方案的综合优化新指标,综合集成粒子群与支持向量机的智能技术,提出高地应力下地下洞室群开挖顺序与支护参数的智能优化新方法。该方法通过典型施工方案的数值计算构建学习样本,采用支持向量机方法对样本进行学习与预测,建立起施工方案与综合优化指标之间的非线性映射关系,在具有一定约束条件的全局空间下,通过粒子群优化算法搜索出开挖顺序与支护参数的全局最优组合方案。将该方法应用于高地应力区黄河拉西瓦水电站地下厂房洞室群的开挖顺序和支护参数优化分析,结果表明该方法的可行性。     

深埋超大跨度地下洞室围岩稳定性研究

在深埋超大跨度地下洞室的开挖过程中,若支护方式和开挖方法不合理,易导致坍塌、大变形等失稳破坏现象,保证洞室的稳定性是施工过程中的核心任务,而现阶段国内外尚无明确标准对于地下洞室的稳定性定量分析,本文采用强度折减法对于深埋超大跨度洞室围岩稳定进行理论研究,得到了不同围岩等级下的安全系数,并对地下洞室破坏形态进行研究,为支护设计提供参考。     

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。     

琅琊山抽水蓄能电站地下厂房洞室支护研究

支护设计对大型地下厂房洞室的围岩稳定非常重要,如何使支护参数经济、合理和有效,是工程界一直研究的问题。介绍了琅琊山抽水蓄能电站地下厂房洞室支护方案的确定过程,并在其开挖过程中,进行了信息化支护设计的尝试,通过综合分析实际地质条件、监测资料、施工水平以及跟踪开挖的反分析计算成果,及时调整支护参数,科学地指导现场施工,消除安全隐患,为类似工程设计提供参考思路。     

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。     

Latest technology of underground rock cavern excavation in Japan

Four major projects with large-scale rock underground caverns are discussed in this report; two hydropower stations, one underground oil storage facility and one underground museum in Japan. The technology applied to the construction of these caverns have some unique characteristics and can be applied to various other underground uses for different purposes and applied to larger-scale underground rock caverns with different geological and in situ stress conditions. Generally, construction of an underground cavern is comprised of five major activities: geological investigation; cavern stability analysis; initial rock support design; excavation works; and redesign of rock support according to the observational construction method. Weighted factors allocated among these factors should be established based on the rock properties and the purpose of the underground cavern use, which would define the major characteristics of the construction project. This report discusses some of major characteristics of these projects in Japan.     

立体交叉洞室群施工变形三维数值模拟分析

北京地铁14号线蒲黄榆站为3层暗挖车站,设置了由2—1号横通道及8个小导洞,形成了立体交叉洞室群工程。车站工程区地质条件复杂,采用暗挖法施工难度大。为研究此立体交叉洞室群工程施工方案的合理性,采用FLAC^3D计算软件对此立体交叉洞室群工程施工力学行为进行了三维数值模拟分析。分析了立体交叉洞室群工程开挖引起的洞室支护结构的应力分布、导洞变形、地层塑性区的分布特征及典型管线正上方地表沉降变形,并将地表沉降现场监控量测数据与计算结果进行了对比分析,结果表明该施工方法可以保证工程施工安全。     

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。     

利用神经网络的反馈分析方法及其在地下厂房中的应用

将反馈分析问题归结为约束最优化问题,采取最为直接的正演反分析的求解方案,即对结构进行正向数值分析以实现约束条件,利用人工神经网络进行参数反演以满足目标函数,从而建立基于神经网络的反馈分析方法,并给出详细实现步骤。该方法分析过程简单,通用性强。以溪洛渡水电站左岸地下厂房洞室群开挖过程的反馈分析为例,根据工程施工期位移监测资料,以三维连续介质快速Lagrange分析程序FLAC3D作为数值分析软件,建立神经网络数值反馈分析系统。围岩位移反馈分析成果与实测数据吻合,后期开挖的围岩变形、应力以及支护结构受力等的预测成果合理,这可作为溪洛渡厂房洞室群的围岩稳定性评价的可靠基础,也证明该方法是解决大型复杂工程监测反馈分析问题的有效途径,可能得到进一步的推广和应用。