跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟

 断层及其破碎带是隧道开挖过程中常见的不良地质现象,也是围岩不稳定且容易出现事故的地段。以山区隧道施工中常见的IV级围岩为参照对象,利用地质力学模型试验和数值模拟研究跨断层隧道施工过程中围岩的渐进性破坏过程及其受力变形特性。研究结果表明：(1) 位于拱顶之上的断层下盘岩体在隧道开挖后呈悬挑状态,且在靠近断层部位易出现拉裂缝;(2) 隧道开挖使得上覆荷载向隧洞左、右两侧转移,从而导致拱腰以下的岩体往往率先剪切破坏,尤以断层下盘一侧岩体为甚;(3) 隧道开挖将引起围岩应力重分布,若调整后的围岩应力超出岩体自身强度极限时,洞周岩体就会塌落成拱,且位于塌落范围内的岩体切向应力呈“跌落式”下降,此特征可用于判断岩体塌落范围;(4) 隧道开挖后,由于断层的阻隔作用,岩体应力在跨越断层上、下盘时呈不连续、非线性分布的特征。     

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中,由于应力重分布导致围岩损伤破坏,传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展,采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性,但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究,缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22＋029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟,使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化,定量模拟计算围岩损伤度的变化,揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性,得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主,围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹;损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系;损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义,也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。     

连拱隧道围岩稳定性模型试验

利用“公路隧道结构与围岩综合实验系统(CTSSSRH)”，对连拱隧道在不同开挖方案下的施工动态过程进行了相似模型试验，得到了围岩变形全过程曲线，研究了连拱隧道围岩位移、变形等发展规律，提出了Ⅲ类围岩合理的开挖方案。     

超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏过程三维地质力学模型试验研究

为研究超大断面隧道围岩随埋深逐渐增加的渐进性破坏过程,通过大型三维均匀梯度加载地质力学模型试验系统和软弱破碎围岩及其支护系统相似材料的研制,开展大跨度隧道围岩随埋深逐渐增加渐进破坏过程的大比尺模型试验,真实再现全断面和台阶法开挖段周边围岩及掌子面保留段软弱破碎围岩渐进破坏的全过程。首先,以一定范围内埋深(200～1 020 m)的双线大跨度隧道软弱破碎围岩(铁路隧道V级)为研究对象,采用铁晶粉、松香、石英砂、重晶石粉以及聚四氟乙烯棒等原料研制出具有应变软化特性的软弱破碎围岩、初喷混凝土以及锚杆等相似材料,并配以能实现精细开挖和支护施作的微型设备及其配套工艺,通过可实现三面均匀同步加载的大型三维地质力学模型试验台架模拟隧道全断面和台阶法施工的全过程,并采用光纤光栅传感器、电阻式应变计、多点位移计以及微型压力盒全程监测隧道洞壁及其整数倍洞径(0～3倍)范围内围岩的应力、位移以及近区荷载的变化信息;然后,对隧道全断面和台阶法开挖段以及掌子面保留段围岩进行超载试验,按50 m埋深等荷加载改变隧道埋深,直至隧道全断面无支护段围岩开始出现明显破裂特征,然后再按20 m埋深等荷加载缓慢增加隧道埋深,直至隧道全断面和台阶法支护段初喷混凝土大面积破坏脱落。试验结果表明:(1)在埋深不断增加过程中,隧道围岩破坏区域呈渐进扩大趋势,全断面无支护段周边围岩最早发生破坏,然后依次扩展至全断面支护段初喷混凝土和台阶法支护段初喷混凝土,最终破坏区面积顺次由大到小;(2)无支护段围岩破坏区和支护段衬砌结构破坏区均主要集中在拱顶上方区域,是衬砌结构破坏和围岩塌落荷载的主要来源,两侧边墙也存在局部破坏区,自边墙上部至拱角部位破坏程度逐渐加剧;(3)在埋深增加过程中,支护段围岩位移增长率小于无支护段,应力和荷载增长率恰相反,支护结构承载效应明显;(4)超载过程中,围岩的破坏深度不断增加,尤其是拱部呈现动态压力拱现象,据此确定顶部加固范围在理论上具有可行性。研究的方法技术及结果将对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

 深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中，由于应力重分布导致围岩损伤破坏，传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展，采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性，但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究，缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22+029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟，使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化，定量模拟计算围岩损伤度的变化，揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性，得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主，围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹；损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系；损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义，也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。     

埋深对软弱隧道围岩破坏影响机制试验研究

通过室内模型试验,研究公路隧道IV,V级围岩在不同埋深条件下全断面开挖时的围岩破坏情况,实现自重应力场作用下毛洞状态时隧道围岩破坏过程的试验模拟,得到拱形塌方和塌穿型塌方2种围岩破坏模式。试验结果表明:隧道围岩的破坏从拱顶开始,并逐渐向上发展;埋深越小,隧道越易发生塌穿型塌方,而当埋深小于某一值时,因隧道开挖后围岩应力未超过围岩强度,隧道反而能保持稳定状态;对塌穿型塌方,隧道埋深越大,开挖后围岩维持稳定时间越短,塌方程度越严重,塌方向地表发展得越快;对同一类型的塌方,隧道埋深越大,塌方后隧道周边应力变化幅度越大。     

深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制 模型试验研究

根据对深部岩体的地应力特征分析和对洞室围岩受力变形特点的分析,提出深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制:由于深部开挖工程中岩体地应力数值较大,且最大地应力方向可能与洞室轴线平行,从而使洞室围岩在较大的轴向压应力作用下产生较大的朝洞内的膨胀变形,并在围岩内产生较大的径向拉应变.该拉应变的分布特征是在洞壁处较小,在介质内较大,当洞壁介质内的拉应变值达到其极限值时,那里的围岩便发生断裂,这种断裂可以产生一层或多层,决定于轴向压应力数值的大小.上述认识采用洞室模型试验结果作了验证.研究结果不仅对民用深部开挖工程具有重大指导意义,对国防工程中的某些方面,如导弹发射井等也有重要启示作用.     

在轴向压力作用下洞室破坏特征模型试验研究

通过模型试验对洞室在较大轴向压力作用下的破坏特征进行了研究.试验结果表明,洞室在较大轴向压力作用下产生的破坏是:对于直墙拱顶洞室,洞周围岩发生环形断裂;对于圆形洞室,在洞壁附近产生两组共轭的滑移线型破坏;在离洞壁较远处(滑移线型破坏区外围)也发生环形断裂;这种破坏特征与最大压力垂直于洞室轴线情况下的破坏特征具有显著的不...     

重庆地区地下洞室围岩变形破坏及围岩压力特点分析

本文针对重庆地区开发地下空间资源的特点，概述了工程地质条件，结合实例分析了不同形式的围岩变形破坏机理和围岩压力特点，并就有关问题提出一些看法。     

大型洞室群围岩破坏模式的动态识别与调控

 在归纳地下工程围岩破坏模式分类、分析方法和控制措施等方面研究成果的基础上,建立大型地下洞室群围岩破坏模式的分类方法。该分类方法充分考虑大型洞室群大尺寸、大高宽比和多洞室相互作用等特点,依据控制因素、破坏机制、发生条件3个层次归纳出18种典型的围岩破坏模式,给出每种破坏模式的主要稳定性分析方法和针对性控制措施等方面的建议。并进一步根据大型洞室群分步开挖过程中不断更新的工程地质条件和围岩性状,提出围岩破坏模式的动态识别、复核与调控方法。该方法已成功应用于锦屏二级水电站地下厂房洞室群的开挖过程中围岩破坏模式识别和实时工程措施(开挖和支护)调控,实现施工过程中围岩局部不稳定性问题的识别、预测与动态调控。实践表明,该方法实用、科学和系统,可有效地指导大型地下洞室群施工过程中的开挖与支护设计动态优化,避免局部不稳定性问题的发生。     

变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟

 以一定范围内埋深(25～60 m)的3车道公路隧道软弱破碎围岩(公路隧道IV级)为研究对象,研制相似模型材料和配套试验设备,再现开挖后围岩的渐进性破坏全过程,分析不同埋深下围岩的应力场特征。通过模型材料室内试验获取岩体相关计算参数,引入弹塑性损伤本构模型对试验工况进行有限元数值模拟,计算结果与模型试验吻合较好。综合模型试验和数值模拟结果,可以得出以下结论：(1) 围岩破坏区是隧道塌落荷载的来源,主要集中在拱顶上方区域,在两侧边墙下方和拱底也有局部存在;(2) 隧道埋深对围岩破坏区域大小有重要影响,随着埋深的增大,围岩破坏区域呈渐进扩大趋势;(3) 围岩内的周向应力在隧道开挖后先升高而后逐渐降低,其最大值所在位置即对应压力拱位置,且该位置随着破坏区域的扩大而不断向围岩内部移动,形成动态压力拱现象;(4) 通过对围岩内部周向应力最大值的测试来获取隧道压力拱范围,并进而确定围岩塌落荷载大小,这在理论上是可行的。     

岩溶隧道围岩水力破坏机制研究

 将不同围岩结构岩溶隧道的水力破坏模式划分为：(1) 非贯通盲端裂纹的扩展;(2) 贯通裂纹的横向扩展;(3) 隔离体岩块的失稳;(4) 溶洞岩壁整体失稳。分析各种破坏模式的力学机制,采用断裂力学方法分析非贯通盲端裂纹及贯通裂纹的横向扩展条件,将非贯通盲端裂纹视为“无限大”体中的片状裂纹,用Green和Sneddon的求解结果计算裂纹起裂条件;将隧道–溶洞岩壁上裂隙视为岩板上贯通裂纹,按照复变函数推导出的Westergaard解计算裂纹起裂条件。采用基于赤平投影与实体比例投影的极限平衡法分析隔离体岩块的失稳机制,给出考虑水压力作用的极限平衡计算公式;采用强度折减法分析溶洞岩壁整体失稳的破坏特征。针对各破坏模式给出防治措施,研究结果可为类似工程提供参考依据。     

大型分岔隧道围岩稳定与支护 三维地质力学模型试验研究

 分岔式隧道是一种新型隧道结构型式，目前尚无相应的设计、施工技术规范和标准可循，为了解这种新型隧道结构的应力和变形状况，采用三维地质力学模型试验方法对目前在建的沪蓉西高速公路大型分岔隧道进行研究。试验成果有效地揭示分岔隧道洞周的应力、位移变化规律和分岔隧道围岩的破坏机制，获得分岔隧道的设计和极限承载安全度，为分岔隧道的优化设计和施工提供了有工程指导意义的建议和结论。     

超大断面隧道开挖围岩荷载释放过程的模型试验研究

以兰渝铁路两水隧道为工程背景,进行超大断面铁路隧道开挖支护的大比尺三维地质力学模型试验,对开挖过程中的围岩荷载释放过程进行研究。根据工程现场地质情况研制满足相似要求的新型模型试验相似材料,经室内试验验证,该相似材料与原岩材料的力学性质有很好的相似性,满足试验要求。结合现场实际工况在模型试验不同区段采用不同的开挖支护工法,首先研究全断面及台阶法开挖情况下的围岩荷载释放过程,通过试验数据的分析,揭示不同开挖工法隧道围岩荷载释放全过程的特点和差异。相同开挖工法下,同一断面上不同位置的荷载释放过程存在很大差异;同样,不同开挖工法条件下同一位置的围岩荷载释放过程也不尽相同。其次,掌子面前方围岩受开挖影响会在局部发生先行荷载集中,先行荷载集中程度与开挖工法和断面形式有很大关系,开挖面前方荷载集中程度过高会加剧掌子面围岩的挤出效应,不利于围岩的稳定。最后,通过有无支护开挖情况下围岩荷载释放过程的对比,说明施作支护能够有效缓解开挖过程中的掌子面先行荷载集中现象,减少荷载释放总量,优化隧道围岩荷载释放过程。     

高地应力条件下大型地下洞室群围岩失稳模式分类及调控对策

锦屏一级、猴子岩等大型水电工程地下洞室群的施工过程中出现岩爆、塌方、大变形及支护后喷层、围岩开裂等围岩变形破坏现象,对围岩变形失稳模式及针对性的调控措施缺乏系统、总结性的研究。在收集大岗山、锦屏一级、猴子岩、官地等多个典型水电工程地下洞室群施工地质、设计、物探、监测资料及现场调查的基础上,从控制因素上将围岩失稳模式分为岩体结构控制型重力驱动型、应力驱动型、复合驱动型3种类型;从破坏主要发生的工程部位将破坏模式归纳为5个部位、16种基础模式;以猴子岩水电工程主厂房动态调控为实例,说明所提出的调控措施的有效性和可行性。该研究成果可为大型地下洞室动态设计提供借鉴,为施工安全的保障提供理论依据,具有重要的工程意义。     

深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类与调控策略

 根据锦屏II级水电站地下隧洞的地质条件、现场试验、数值分析和支护设计与施工全过程,建立深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类方法。该分类方法依据支护要求和控制因素将深埋硬岩隧洞的破坏现象分为3个大类、9种典型破坏模式,分析各种破坏模式的发生机制、表现形态以及调控策略,重点讨论岩爆的机制以及相应的调控策略。应用该分类方法对锦屏II级水电站地下隧洞围岩的破坏模式进行识别、机制分析,相应的调控措施也得到采纳。工程实践表明,该分类方法全面、实用,为现场设计、地质和施工工程师等在深埋硬岩条件下进行隧洞开挖和支护设计优化提供具体指导方针。     

围岩破坏特征与地应力方向关系研究

 结合实际工程需要,建立片帮分级标准,在此基础上提出由片帮发育部位和发育程度推测主应力方向的相关方法;同时,结合室内试验、切片扫描等手段,深入研究片帮面上拉张裂纹的成因机制,给出由拉张裂纹延伸方向确定初始地应力方向的方法。最后以我国西南一水电工程为例,基于坝址区片帮和拉张裂纹的调研结果,推测坝址区大主应力方向及其变化规律,对地应力测试工作形成有效补充,为后期工程设计提供支撑。     

软岩隧道锚杆支护作用的模型试验研究

 随着公路隧道的发展,隧道稳定性日益成为设计和施工的首要问题。根据重庆—长沙公路共和隧道围岩实际情况,在真三轴试验机上进行隧道在毛洞和不同支护条件下的模型试验,试验反映了隧道失稳的全过程并记录了各个部位的应变值,对不同工况下围岩的应力变化规律进行分析,结果表明：围岩的径向和切向应力均是随荷载的增加而增加的;在同级荷载下,支护后的围岩径向和切向应力要高于支护前;径向应力随着离洞壁距离增大而增大,而切向应力在洞壁上应力集中,随后随着离洞壁距离的增大而减小,最后趋于稳定。锚杆使得围岩的稳定性大大提高,且长锚杆的支护效果要优于短锚杆。