锦屏二级水电站深埋隧洞开挖损伤区特征分析

在高应力条件下,岩体强度和应力之间的尖锐矛盾将导致围岩出现损伤,损伤是不同应力条件下围岩状态的直接体现。利用声波检测和钻孔电视对锦屏二级深埋引水隧洞的一典型断面进行全断面测试,声波测试结果显示,断面上低波速带断面形态呈不对称状,与断面应力分布也并不完全对应。在每个声波钻孔中补充钻孔电视,对破裂发育深度和围岩内部实际构造特征有了更直观的认识。为对损伤区特性进行更加准确的描述,利用FLAC3D计算在洞周不同位置处关键点的应力路径,对关键点的应力状态进行分析。在UDEC泰森多边形离散的基础上增加对于节理的描述,分析节理对损伤区分布的影响,模拟结果表明,节理的存在改变了隧洞开挖后洞周的应力分布,从而导致围岩破损和破坏区域的差异。最后,借助于颗粒流程序PFC对隧洞开挖后围岩的损伤区进行模拟,所揭示出的损伤局部化特征和损伤区、破裂区分布特征与现场实际具有很好的一致性。     

锦屏深埋大理岩破裂特征与损伤演化规律

 锦屏二级引水隧洞最大主应力超过70 MPa,在如此高应力条件下,必然存在岩体强度和地应力之间的尖锐矛盾。深入认识大理岩的破裂特征,把握围岩的损伤演化规律,对于支护优化设计和评价围岩稳定性具有重要意义。在已有关于脆性岩石破裂问题研究成果的基础上,借助于裂纹体积应变拐点和大理岩体积应变拐点配合声发射测试,确定不同围压条件下大理岩的特征强度,并将特征强度在主应力空间中进行表达,形成现场可用的强度包线。利用起裂强度曲线分析损伤区的应力状态,并根据计算成果确定不同损伤区分区的范围,描述监测断面随掌子面推进过程中损伤区的演化过程。为进一步分析损伤区的演化规律,在监测断面布置声波和声发射测试,声波检测获得的松弛圈深度主要与损伤区中的破坏区相对应,而声发射测试可以获得完整的损伤区分布特征,更有利于了解围岩的损伤特征,可为支护优化设计和支护时机的选择提供更加科学的依据。     

深埋硬岩隧洞开挖响应合理解译与监测优化

在地下工程建设过程中,为及时了解围岩状态及其决定的支护型式,需要依赖于有效的监测方法和可靠的监测数据。锦屏二级深埋隧洞沿线以硬脆性大理岩为主,最大埋深达到2525m,75%以上洞段埋深超过了1 500 m,在如此复杂的地质环境下开挖14m的大跨度隧洞,面临着巨大的工程风险,而监测方法的针对性和指示性与浅埋条件下存在较大差异。大理岩的压缩试验和现场开挖响应都揭示了完整大理岩开挖以后的主要响应不是变形,而是破裂。通过对锦屏二级深埋隧洞的变形、应力和声波测试成果的深入解译,表明围岩破坏时变形仍可能在围岩变形的控制标准范围之内,变形监测失去了预警的意义,而锚杆应力计对围岩状态的变化比多点位移计更加敏感,更具有预警价值,声波测试成果也与锚杆应力监测成果具有很好的一致性。最后,利用数值方法对围岩内部的应力状态进行详细描述,利用大理岩的脆–延–塑转换特征可以合理地解释变形与破裂之间的矛盾关系。     

脆性岩体破裂扩展时间效应对引水隧洞长期稳定性影响研究

 对于锦屏二级引水隧洞,脆性岩体破裂损伤发展的时间效应已从现场围岩破坏情况及多种监测仪器长期监测数据中得到反映,成为影响引水隧洞长期稳定性的控制因素。为系统研究这一问题,针对锦屏二级引水隧洞沿线所占比例最大的岩层之一--白山组大理岩,在论述岩体破裂扩展时间效应的现场体现的基础上,进行破裂时效室内试验,得到破裂时效拟合式和临界驱动应力比;继而采用CPM模型建立可以考虑脆–延–塑转换特征的白山组大理岩数值试样,标定其微观参数,并进行室内破裂扩展试验的PFC模拟;最后,首次对工程尺度的引水隧洞进行破裂扩展时效的PFC模拟,研究不同岩性、不同埋深下,在100 a运行期内引水隧洞围岩的破裂情况。结果表明,室内试验中破坏时间的增加和荷载的降低呈现出较明显的指数非线性关系,且亚临界裂纹开始扩展,具有一个门槛值(定义为临界驱动应力比),对于白山组大理岩此应力比为0.492。采用CPM模型标定的PFC短期细观参数可较好反映锦屏白山组大理岩试样的三轴压缩应力–应变曲线及屈服破坏特征表现出的明显围压相关性,低围压下裂纹数目随围压增加明显,高围压下增加速度减缓,且拉裂纹在高围压下数目不再随围压增高而增加。数值试验中发现轴向应变和裂纹数目发展均表现出明显的蠕变三阶段特征。随着驱动应力比减少,由蠕变产生的应变量值是增加的。侵蚀裂纹的发展也符合蠕变三阶段特征,驱动应力比越小,侵蚀裂纹数目基本线性增加,但侵蚀裂纹发展速率呈指数减少。在开挖完成100 a后,II类大理岩岩体中引水隧洞的破裂区最大范围为2.1～3.1 m,III类大理岩为3.3～4.5 m,引水隧洞的长期稳定性可以得到较好保障。     

锦屏深埋大理岩破裂扩展时间效应与控制效果评价

锦屏二级水电站大理岩在高的地应力条件作用下表现出破裂随时间扩展的现象,给引水隧洞的运行期安全产生重大的影响。现场开挖后出现的滞后破裂现象、锚杆应力计和声波测试都反映出大理岩破裂随时间发展的特征。首先采用室内试验和数值分析,证明破裂是大理岩开挖后的主要响应方式,表明锚杆应力计和声波测试在现场测试中具有更好的适用性,而多点位移计敏感性较差。利用GSI随时间指数递减代表大理岩强度随时间递减,进而表征隧洞开挖损伤区随时间的增加而增加,在此基础上,建立应力腐蚀模型SC。将现场已获得的监测数据作为SC模型中相关参数的校核依据,对大理岩的长期力学响应、锚杆受力状态和衬砌结构安全性进行详细分析,采用SC模型得出的特征与现场实际开挖响应具有很好的一致性。     

单轴压缩条件下锚杆影响脆性岩体破裂的细观机制

锚杆支护系统是控制深部脆性围岩动力灾害的重要措施,但锚固理论研究仍滞后,锚杆支护下的脆性岩体破坏问题困扰着深部岩体工程实践。根据实际工程中锚杆支护下脆性围岩的浅表局部破坏特点,通过室内相似模型试验研究单轴压缩条件下锚杆杆径影响完整脆性岩体的破坏特性,试验表明,锚杆杆径对脆性岩体弹性模量和强度的提升存在最优匹配的特点,一味强调增大锚杆直径并不能达到理想的围岩控制效果;锚杆改变了脆性岩体单轴压缩破坏模式,宏观上由劈裂破坏转为剪切破坏,杆径对试样剪切破坏的程度有所影响。从细观角度,建立了含两条固有主裂纹的裂纹扩展分析模型,加锚试样单轴压缩破裂模式的改变,可以归结为锚杆锚固止裂效应对试样内部裂纹扩展的抑制作用,使翼裂纹与主裂纹长度比η变小。根据最易开裂角度ζ的计算结果,翼裂纹较长时,翼裂纹朝外载作用方向扩展,产生劈裂破坏,翼裂纹较短时,翼裂纹偏离外载作用方向扩展,产生剪切破坏。从细观上很好地解释了锚杆改变脆性岩体破裂模式的作用机制。     

基于3D的深埋隧洞开挖支护系统优化设计研究

针对某水电站的引水隧洞Ⅲ类围岩的开挖与支护进行了数值计算，并提出了相关的优化设计建议。现场开挖和计算结果表明，隧洞围岩稳定性较好，塑性区扩展深度也较小，即便考虑锚杆的安全储备，目前系统支护的锚杆长度也偏保守。本文附带论述了初期支护的方法。     

破裂围岩锚固体变形破坏特征试验研究

为了进一步揭示破裂围岩锚固体的承载机制,在自主研制的真三轴物理模拟试验系统的基础上,采用反复加卸载围压的方法预制破裂岩体,加锚后进行继续加载试验,研究破裂围岩锚固体以及锚杆的变形破坏特征。研究发现,随着锚杆预紧力的增加,锚固体变形模量随之增加,全应力–应变曲线呈现双峰特征。在锚杆预紧力较小的情况下,破裂围岩内部滑移块体主要沿原有裂隙面滑移,二次破坏较少发生且裂隙发育位置比较集中。在锚杆预紧力较大的情况下,滑移块体会发生二次破坏,破裂围岩锚固体新生裂隙倾角高、数量多且分布均匀。锚固体变形过程中锚杆控制角在空间以及时间上不断发展变化：锚杆压缩区在空间上为向围岩深部开口的喇叭形,其深度为1～1.5倍托盘直径;随着锚固体压缩变形,锚杆压缩区会发生二次甚至多次破裂。锚杆控制角在压缩区初次破裂时为50°～64°,在压缩区多次破裂后最终稳定为34°～56°。锚杆在破裂面附近受到两侧滑移块体剪切错动作用下处于压、张、剪复杂应力状态,弯曲变形严重,这反过来使破裂面两侧滑移块体出现一定程度的错动分离。     

高地应力特长大断面隧洞围岩稳定监测与分析

对大埋深高地应力大断面引水隧洞开挖围岩稳定问题,运用隧洞施工理论和监测技术与方法,充分结合工程实际,采用断面收敛仪、多点变位计、振弦式锚杆应力计等监测仪器及方法对围岩收敛变形、隧洞围岩深部变形以及锚杆轴力等围岩稳定进行监测和分析。结果表明：大埋深软L弱围岩地质条件下,隧洞会产生大变形,即使是在初期支护的作用下,净空收敛的量值和速率在测试初期也是很大：隧洞开挖效应对左右边墙锚杆的轴力变化影响较大,而对拱顶锚杆的轴力变化影响较小;洞室开挖侧墙水平应力释放容易导致高边墙产生片帮、剥落,在开挖时应加强高边墙的位移和应力监测,适时进行支护。     

深埋隧洞开挖围岩应力演化过程监测及特征研究

 由于TBM掘进不同于钻爆法,其对围岩的损伤程度较轻,不会破坏预埋的空心包体应力计,因此可以在现场预先设计位置埋设空心包体应力计,监测TBM掘进过程中围岩的应力变化。首先利用数值方法计算隧洞开挖后的二次应力分布,分析掌子面效应以及围岩的起裂强度,初步确定围岩的松弛区和损伤区范围,在此基础上确定空心包体应力计的埋设位置和开始监测的时间。然后通过试验洞向TBM掘进隧洞钻孔的方法在松弛区和损伤区分别预埋空心包体应力计,并监测从应力开始变化到最后趋于稳定的整个过程。监测结果证明掌子面效应的存在,应力变化开始于掌子面前大约1倍的开挖洞径,掌子面后0.5倍洞径范围内是应力调整最剧烈的区域,并利用空心包体应力计针对裂纹扩展的敏感性分析围岩损伤区范围,最后根据应力计的监测成果验证此处围岩的起裂强度,监测成果和数值计算结果比较吻合。本文的研究成果可以为现场确定损伤区范围和岩体的起裂强度提供参考,为支护设计和支护时机的选择提供科学依据。     

深部试验隧洞围岩脆性破坏及数值模拟

 围岩破坏模式和机制的深入认识和把握、围岩破坏程度的合理评价对于深部地下工程围岩稳定性的分析和调控至关重要。锦屏二级水电站深部地下试验隧洞即为针对该问题而建设的国际上埋深最大(2 500m)的地下试验隧洞之一。通过大理岩室内试验结果的分析,深入研究和认识大理岩基本工程力学特性。基于此,分析试验洞开挖后围岩的破坏模式和机制,应用脆性岩体本构模型(RDM)、数值模拟方法和FAI评价方法分析开挖后围岩脆性破坏的范围和深度,并与现场揭露情况进行对比。分析结果较好地体现高应力条件下大理岩的脆性破坏特征,达到对围岩破坏程度合理把握的目的,为引水隧洞开挖期间支护参数的设计和施工处理措施的制定奠定坚实的基础。     

压气储能地下储气库围岩累积损伤特性数值研究

压气储能电站地下岩穴储气库围岩在循环运行工况下累积损伤效应明显。为研究大规模地下储气库围岩的累积损伤特性,基于损伤理论和FLAC^3D软件平台,二次开发了适用于大规模地下储气库循环加卸载条件下的累积损伤分析程序,并对程序正确性进行了验证。在此基础上,研究了储气库截面型式、洞室埋深和运行下限压力等因素对储气库围岩累积损伤特性的影响。研究表明:①储气库截面型式、洞室埋深和运行下限压力都对储气库围岩变形参数损伤影响较显著,且储气库竖直方向损伤深度都大于水平方向损伤深度;②损伤区内围岩变形参数的损伤程度和损伤变量随着洞室埋深或运行下限压力的增加而减小;③对于相同截面型式的储气库,埋深和运行下限压力不同时,储气库围岩损伤区内同一测点位置的损伤变量或变形参数差值随着循环次数的增加逐渐增大。大规模地下储气库围岩累积损伤特性对全面分析储气库的安全稳定性不可以忽略。     

锚杆单元及其在黄土隧道计算中的若干问题

隧道设计施工中考虑围岩的自承作用是新奥法的核心思想之一，而采用锚喷支护是技术上的关键。如何考虑锚杆的作用至今仍存在值得探讨的问题。介绍了一种弹塑性锚杆单元，给出了黄土隧道考虑锚杆作用的数值分析结果，对锚杆的合理长度以及提高锚固区围岩力学参数模拟锚杆作用方面提出了合理的建议。     

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。     

锚杆与围岩共同作用的围岩特性曲线修正分析

基于收敛约束法原理,推导了考虑锚杆与围岩共同作用的圆形隧道围岩特性曲线弹性响应函数。并与数值模拟方法获得的不同锚杆布置情况下的围岩特性曲线进行比较,验证了解析方法的合理性。考虑锚杆支护与围岩共同作用后的围岩收敛特性曲线与原始围岩有较大区别,并与原始围岩刚度以及锚杆布置密度密切相关。根据解析结果与数值计算结果的进一步对比分析,对推导的解析函数进行了修正。修正后的解析公式,能反映锚杆布置密度对围岩特性曲线的影响。特别对于软岩隧道(V级围岩),在不同锚杆支护密度范围内,等效围岩刚度能够大致提高15%~35%,考虑锚杆与围岩共同作用对围岩刚度的影响不可忽略。本文提出的修正收敛特征曲线对指导隧道设计施工有一定的理论与工程意义。     

大断面黄土隧道围岩弹性抗力系数、变形模量与压缩模量试验研究

 对于高速铁路大断面黄土隧道严格的设计计算而言,黄土隧道围岩的弹性抗力系数、变形模量和压缩模量十分重要。以郑西客运专线大断面黄土隧道工程为依托,利用现场平板载荷试验研究大断面黄土隧道围岩水平方向和拱底竖直方向的弹性抗力系数、变形和压缩模量,并提出与隧道埋深有关的弹性抗力系数、变形和压缩模量的参考计算公式。     

砂质黄土地层中既有隧道上方挖方离心模型试验研究

以既有隧道上方挖方工程为背景,运用离心模型试验方法,研究了砂质黄土地层中既有隧道衬砌围岩压力在上方挖方时的变化规律:提出根据衬砌和围岩是否按刚度分配荷载划分深浅埋、以及是否存在挟持力划分浅埋与超浅埋的标准,得到了1.25D~1.75D(D为既有隧道跨度)为深埋和浅埋的分界埋深范围,0.75D~1.25D为浅埋和超浅埋的分界埋深范围;同时发现既有隧道衬砌刚度越大,承载拱范围越小,即刚性支护承载拱边界为1.5D,柔性支护承载拱边界为1.8D;并提出基于衬砌围岩压力相对比例的近接影响分区控制标准,得到刚性支护的强影响区、弱影响区和无影响区分界埋深分别为1.5D,2D,柔性支护的强影响区、弱影响区和无影响区分界埋深分别为1.5D,2.5D;对比0.5D和0.3D挖方步距,发现步距会造成挖方过程中围岩应力路径的差异,施工时宜选用0.3D或更小的挖方步距。试验揭露了砂质黄土地层中既有隧道受上方挖方影响的普遍规律,成果可为类似工程提供借鉴和指导。