隧洞围岩的等效弹性抗力系数及其影响因素研究

基于无限体中圆形隧洞的弹性解,结合卸荷扰动区与深部未扰动区的位移公式,推导洞室开挖卸荷区围岩的等效弹性抗力系数表达式,并通过算例对比分析,验证其合理性。研究结果表明围岩的等效弹性抗力系数与扰动区岩体弹性模量呈非线性关系,扰动区岩体质量弱化,弹性模量降低,泊松比增大,扰动区围岩的刚度和侧向约束能力降低,围岩的等效弹性抗力系数随之减小;相同开挖半径下,扰动区范围的扩大直接降低围岩承载能力,围岩的弹性抗力系数减小;在扰动区厚度一定的情况下,开挖半径越大,等效弹性抗力系数越小。说明隧洞围岩稳定是扰动区与深部未扰动围岩共同作用的结果,仅采用扰动区岩体参数计算围岩弹性抗力系数会过高地估算围岩的分载能力,采用围岩等效弹性抗力系数评价围岩承载能力更加合理。     

基于Hoek-Brown准则西原模型的圆形隧洞黏弹塑性解

为进行流变围岩圆形隧洞工程应力、应变分析,将Hoek-Brown强度准则引入到西原流变本构模型,同时在力学模型中考虑掌子面推进效应和支护阻力对围岩应力释放率的影响,得到了支护条件下基于Hoek-Brown准则西原模型的圆形隧洞黏弹塑性解。通过锦屏二级水电站引水隧洞案例验证解析方法的可靠性,并进行了塑性区半径和围岩变形的影响因素定量分析。研究结果表明:(1)基于Hoek-Brown准则的西原模型更能反映实际隧洞工程岩体流变特性,建立的解析方法能够考虑围岩应力释放效应和塑性体积扩容特征对围岩变形的影响,其计算结果与实际监测数据吻合良好;(2)围岩应力释放系数、Hoek-Brown准则参数s、原岩应力和隧洞半径对塑性区半径的影响较大,是判断流变围岩隧洞稳定性的主要考虑指标,相对而言,岩石单轴抗压强度和Hoek-Brown准则参数m对塑性区半径的影响较小;(3)引入围岩扩容系数后,围岩位移量显著增加,但基本不影响围岩流变变形曲线形态和塑性区半径,从洞壁向围岩内部延伸,围岩扩容系数对围岩变形的影响越来越小。     

深埋大直径无压引水隧洞基于流变的风险分析

以南水北调西线工程深埋大直径无压引水隧洞为例，考虑高地应力及锚杆、衬砌等支护的动态作用，推导出隧洞围岩、衬砌应力及位移的表达式．经计算表明，一般在运行5年后，隧洞衬砌及围岩稳定破坏基于流变的风险达到最大，并随围岩流变的稳定而趋于稳定，隧洞开挖后未及时衬砌的风险明显高于及时衬砌的情况．     

高地温水工隧洞围岩塑性区特征及其锚固力学特性分析

为探究高地温下水工隧洞开挖后锚杆轴力分布、不同时间和不同温度下围岩塑性区特征，以新疆某水电站引水隧洞高温洞段为研究对象，以现场监测的温度数据和锚杆轴力数据为基础，基于Dracker-Prager本构模型，采用有限元法对高地温水工隧洞施工期的温度-应力耦合场进行围岩塑性区模拟分析。结果表明，高地温水工隧洞中各锚杆轴力均为拉应力，随时间不断增大，曲线斜率逐渐减小，各锚杆轴力最大处位置有所不同，但各锚杆在第8 d后前端轴力增长明显减缓；随着时间的推移，围岩塑性区向上下扩展，且塑性区厚度增加，塑性应变值逐渐增大；围岩初始温度越高，开挖后洞壁与内部围岩的温差越大，温度应力对围岩塑性区的影响越大；围岩的温度越高，塑性区更容易在拱肩处向围岩深处恶化发展。     

基于正交设计的围岩力学参数对围岩稳定性影响分析

为分析围岩相关参数对围岩稳定性的影响程度,以薄山水库取水口输水隧洞工程为例,选取弹性模量E、泊松比μ、粘聚力c、内摩擦角 φ作为敏感性参数,根据正交试验原理确定计算方案,通过数值模拟计算,获取4个参数不同取值时拱顶下沉位移、拱腰收敛位移以及塑性区半径,最后基于极差分析方法评估了上述4个参数对围岩稳定性的影响.结果表明,...     

考虑松弛及蠕变特性的隧洞稳定性数值分析

随着岩体工程的不断发展,隧洞的长期安全和稳定越来越受到重视。结合工程实例,依据某引水隧洞的现场监测成果和数值模拟结果,基于开挖松弛及软岩蠕变特性对隧洞围岩稳定性进行了研究。结果表明:引水隧洞变形量主要发生在顶拱,变形遵循显著变形期→缓慢变形期→基本稳定期的规律;对于软岩隧洞,在数值模拟计算时应重点考虑软岩的蠕变特性,即软弱围岩的长期变形特征对隧洞的稳定性起着决定性作用;同时,基于蠕变模型,还可以发现围岩开挖松弛厚度亦对模拟精度影响较大。     

浅埋压力隧洞抗裂设计数值模拟分析

纵观国内已建大型工程的浅埋压力隧洞,采用抗裂式预应力衬砌形式居多,而对于长距离引水隧洞,如果大范围采用该形式则投资过高。基于裂隙岩体渗流场-应力场耦合理论的有限元方法,对浅埋压力隧洞内水外渗进行数值模拟分析,同时考虑了围岩固结灌浆、地下水位、渗流场变化对围岩的影响,反映了隧洞在开挖、充水、加压过程中围岩应力的变化。验证了孔隙水压力的增减均引起岩体有效应力的减小,岩体呈失稳趋势。围岩覆盖厚度越厚,承担荷载的能力越大。以吉林省中部引松供水工程为例,得出了长距离浅埋引水压力隧洞是否采用抗裂设计,需要结合高压水发生的频率、渗漏量、固结灌浆对提高围岩抗渗性能、岩体渗透压力、有效应力、岩体结构、是否存在排水通道、控制岩体渗漏失稳的状态等因素进行综合分析,确定隧洞衬砌形式。研究结果可为合理确定抗裂设计区段、合理选择隧洞衬砌形式和隧洞埋深提供依据。     

不同支护参数下锚杆锚固效果的等效数值模拟研究

为了研究支护参数(锚杆长度,锚杆环向间距)对数值模拟中围岩等效岩性参数的影响,以宁波将军山隧道为研究对象,进行了不同支护参数下的隧道开挖和加载的模型试验,得到锚杆长度和锚杆间距的改变对隧道拱顶位移的影响规律。通过对模型试验进行数值反演分析,得到数值模拟中围岩等效岩性参数(弹性模量、黏聚力和内摩擦角)的变化规律,依此得到不同支护参数下锚杆锚固效果的等效数值模拟方法。结果表明:在数值分析中,锚杆长度每增加0.5m,锚固区岩体弹性模量提高约3%,黏聚力提高约0.8%,内摩擦角几乎不变;锚杆间距每减小0.5m,锚固区岩体弹性模量提高约17%,黏聚力提高4%~5%,内摩擦角提高约3.4%。     

输水隧洞隐伏溶洞洞段锚杆支护参数优化研究

文章以观音阁水库输水工程输水隧洞穿越岩溶区洞段为工程背景,采用数值模拟的方法探讨了引水隧洞隐伏溶洞洞段锚杆的长度、间距和预应力等3个主要支护参数对围岩位移的影响,获得相应的变化规律。综合研究成果,认为应该选择长4.0 m、间距0.9 m、预应力为100 kN的锚杆进行初期支护。     

基于数字化图像的引水隧洞超欠挖检测及其应用技术研究

为有效减少小断面引水隧洞围岩开挖超欠挖量,依托犬木塘水库大山岭隧洞工程,采用一种基于图像处理技术的超欠挖检测方法,使用数码相机采集隧洞图像数据,并进行点云数据处理、三维曲面重建、图像拼接展开等步骤来实现隧洞超欠挖检测,并对所提方法应用于引水隧洞工程的有效性进行验证。应用结果表明：通过三维曲面重建的实际轮廓与设计开挖轮廓对比分析可计算引水隧洞超欠挖值、超欠挖面积及超欠挖体积量等参数,通过图像拼接矫正构建隧洞地质展开图,能直观展示节理素描等围岩信息。该研究实现了对小断面引水隧洞超欠挖的精准快速检测,具有广泛的应用前景,可为后续施工设计提供依据。     

复杂地质条件下引水隧洞围岩稳定性分析

地下工程具有广阔的发展前景,而其围岩的稳定性关系到工程的施工安全以及运行安全。采用有限元分析方法,对计算模型的有限变形原理、洞室参数的选择进行了介绍。依托柳坪水电站引水隧洞工程,依据相关设计参数,建立三维整体模型,模拟了复杂地质条件下引水隧洞在开挖不支护、开挖支护完成后、地震工况条件下围岩稳定性计算结果,说明隧洞围岩主要受到压应力的作用,且通过衬砌能有效地控制围岩变形。并对结果对比分析,得出了3种工况的安全系数均大于1,隧洞围岩结构稳定性较好,且引水隧洞垂直方向变形均大大超过水平方向等结论,为施工及结构设计提供参考。     

人工神经网络在引水隧洞变形监测中的应用

针对引水隧洞围岩变形受地质、施工等因素综合影响的特点，引入人工神经网络理论，建立了隧洞收敛测值终值预测的BP网络模型。该模型将隧洞围岩的5个物性参数容重、弹性模量、泊松比、粘结力、内摩擦角作为BP网络的输入向量，将最终收敛位移作为网络输出向量。应用Matlab进行BP网络设计和程序编制。实例分析表明，利用所建立的BP网络模型进行围岩收敛变形预测。结果合理可行。     

基于CATIA的引水隧洞施工进度三维可视化研究

针对水电工程引水隧洞三维模型不能重复利用,并且三维建模与施工进度可视化展示平台不统一的不足,将CATIA引入引水隧洞施工进度三维可视化研究中,在其平台上实现隧洞施工进度三维可视化。关键技术包括参数化方法、设计过程模板化技术、知识工程设计表技术和二次开发技术,通过建立引水隧洞三维参数化模型与施工进度计划的关联,模拟施工过程。以某工程引水隧洞压力管道竖井为例,建立了基于CATIA的引水隧洞压力管道竖井三维参数化模型,并建立了三维模型与施工进度计划的关联,实现了隧洞施工进度三维可视化。结果表明,该研究实现了三维建模平台与施工进度可视化平台的统一,提高了施工进度可视化的效率,为施工进度计划的合理与高效制定提供了理论与技术支持。     

软弱围岩引水隧洞初期开挖稳定性研究

软弱围岩隧洞在引水隧洞中比较普遍,隧洞开挖后围岩的稳定性对于施工安全有着重要的意义。结合浅埋隧洞围岩稳定性理论,利用数值模拟软件,针对具体工程建立二维数值模型,对隧洞开挖进行模拟;分析在整个开挖过程中围岩竖直位移和水平位移以及围岩应力特征。结果表明,大断面浅埋隧洞在VI级围岩下最不稳定,需要重点监测,以保证其稳定性。研究结果对软弱围岩隧洞开挖稳定性具有一定指导意义。     

弱膨胀性泥岩地区小型引水隧洞病害分析及加固

以贵州某水电站无压引水隧洞加固工程为例,针对弱膨胀性泥岩导致的隧洞侧墙变形开裂、顶拱岩块脱落、底板隆起等工程病害,结合工程所在区域的地质特点,通过试验和地质雷达等手段对隧洞围岩变形特征进行分析,明确了隧道围岩长期遭水浸泡,膨胀性围岩遇水膨胀是引发隧洞病害的主要诱因。采用三维数值模型,对隧洞膨胀性围岩遇水膨胀导致的隧洞侧墙应力应变分布特征进行模拟。拟定以排水、隔水为主,同时采用锚杆加固、对侧墙变形严重区段分块拆除重建的工程修复方案,并提出在实际施工过程中应注意隧洞侧墙逆止阀安装、隧洞侧墙拆除重建等施工工艺要求。本隧洞修复工程最终取得良好的实际运用效果。     

锚杆支护主动承载层构建及其影响参数分析

为分析不同锚杆支护参数对主动承载层构建的影响,以片麻岩水工隧洞地质条件为基础,分析主动承载层承载机理,采用FLAC3D分析不同锚杆间距、排拒以及预紧力对主动承载层构建的影响,提出承载系数量化主动承载层的承载能力并对承载系数进行划分。结果表明,当锚杆支护参数较小时,无法构建主动承载层,不同的锚杆支护参数能够构建不同承载系数的主动承载层。     

基于过渡过程数值模拟的引水系统方案比选

调压室的设置位置是水电站引水系统设计的重点内容,不仅关系到工程造价,而且会对电站过渡过程调节保证参数产生影响。基于水力过渡过程的数学模型,对某电站引水系统三种布置方案进行了数值模拟,结果表明:在引水系统不是很长的情况下,适当增大引水隧洞以及压力管道的直径来改善调节保证参数是可行的;调压室越趋近于临界位置,对调节保证参数越有利,但调压室涌浪会有所增加。     

Ⅳ～Ⅴ类围岩开挖大直径隧洞支护设计

通过对立洲水电站引水隧洞(开挖洞径9.1 ～ 10.2 m)开挖支护设计进行总结,介绍了Ⅳ～Ⅴ类围岩引水隧洞开挖支护的设计思路,对于以节理构造为主且渗水明显的不稳定洞段采用钢支撑、锚杆、挂网和喷混凝土作为主要的支护形式,对于稳定性差的洞段采用锚杆、挂网和喷混凝土作为主要的支护形式,对隧洞围岩都起到了良好的保护作用,各洞...     

TBM引水隧洞组合结构联合承载特性及荷载分担率研究

为探究TBM引水隧洞在Ⅴ类围岩条件下组合结构联合承载特性影响及荷载分担率研究,基于有限元软件,依托榕江关埠引水隧洞工程,建立三维计算模型,开展管片的施工开挖及受力,对计算结果进行特性分析。结果表明：TBM隧洞施工开挖开始至结束地表的断面竖向沉降值逐渐增加,且开挖的开始和结束阶段是较为危险阶段,实际工程中应给予重视监测;组合结构联合承载中管片的竖向位移和最大压应力均小于管片单独承载,且外压工况下管片压应力最大,最大值为18.22 MPa,均满足相应的规范要求;外压控制下主要由管片承担荷载,钢圈和锚杆作为储备力分担荷载,其中管片平均承担93.06%,内张钢圈平均分担6.11%,锚杆平均分担0.84%。因此组合结构可为引水隧洞工程中管片的安全设计提供参考。     

基于穿透声波法在水工隧洞围岩分类方面的判定

采用穿透声波法对某水电站引水隧洞进行岩体地质分析和围岩分类,并通过动弹性参数对工程区围岩地质情况进行深入了解,从而对该引水隧洞的围岩稳定情况有了直接的认识,为隧洞的设计、施工和安全运行提供了依据和保障。