基于声发射试验的TBM隧道施工围岩损伤及应用研究

高黎贡山隧道作为大瑞铁路关键性控制工程,沿线地质极其复杂,各种地质灾害大大降低了TBM施工效率,为掌握TBM掘进前后隧道周边围岩的损伤演化规律,以提出合理的手段和方法处理TBM施工中遇到的地质灾害,通过提取TBM施工现场声发射试验数据,分析基于掌子面周围围岩的损伤演化规律,提出围岩松动区、损伤区和扰动区划分依据,为获取...     

深埋隧洞TBM开挖损伤区形成与演化过程的数字钻孔摄像观测与分析

以锦屏II级水电站3#引水隧洞为研究对象,通过事先开挖的平行于引水隧洞的2-1#试验支洞,利用数字钻孔摄像技术,对TBM掘进过程中围岩的开挖损伤区进行原位测试。基于对一系列不同时段的360°钻孔全景数字图像的综合分析,给出岩体的结构特性,得到隧洞开挖全过程中围岩裂隙的产生、发展和闭合的演化过程,分析该施工条件下的开挖损伤区范围、裂隙演化与TBM施工的关系,并探讨开挖损伤区的形成和演化机制。研究成果为现场支护设计、支护时机、围岩变形特性和地质资料分析提供直接依据。     

超大断面隧道软弱破碎围岩空间变形机制与荷载释放演化规律

 为研究不同施工工法和工艺组合条件下超大断面隧道穿越软弱破碎地层的围岩稳定性问题,以兰渝线两水隧道为背景,开展铁路双线隧道在软弱破碎地层中超大断面开挖的大比尺三维模型试验,真实再现台阶法支护开挖、台阶法和全断面毛洞施工的全过程。首先,基于现场较为破碎的千枚岩岩样基本力学参数室内试验结果,以松香、铁晶粉以及聚四氟乙烯棒等材料为原料,研制兼具低强度和弱黏结特性的软弱破碎围岩相似材料和初喷混凝土、锚杆等支护结构的相似材料,在最新研制的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上模拟隧道台阶法支护、全断面支护和全断面无支护施工的全过程,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洞壁及其整数倍(0～3倍)洞径范围内围岩的应力、位移以及近区荷载的变化信息,分析不同施工过程中隧道围岩受力和变形的三维空间演化规律。研究结果表明：(1) 软弱破碎低强度和流变特性使围岩变形具有更强的时空效应,同时存在掌子面挤出变形、先行位移和后方位移3个时空演化过程;(2) 软弱破碎围岩变形的三维扰动深度一般在3倍洞径内,台阶法支护开挖扰动范围最小,全断面支护开挖次之,但后续长距离推进极易诱发围岩坍塌;(3) 台阶法较大断面开挖有利于控制收敛变形,减少10%～25%,沉降变形则相差不大,上台阶开挖过程是拱部围岩垂向荷载的急剧释放期,下台阶开挖是边墙围岩水平荷载的急剧释放期;(4) 台阶法支护开挖掌子面前方岩体扰动范围为0.5～1.0倍洞径,多属荷载集聚区,是软弱破碎围岩稳定加固的重点区域和最小边界范围;(5) 隧道断面围岩整体荷载释放过程存在3个典型变化阶段,即掌子面附近荷载集聚区、前方荷载弱集聚区和掌子面后方荷载释放区,及时施作支护可有效减弱掌子面前方围岩荷载的集聚程度和荷载峰值,使荷载峰值出现的位置滞后,有利于掌子面及其附近围岩的整体稳定。     

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。     

基于张量距离的深埋隧洞围岩应力扰动指标及特征分析

针对目前深埋隧洞开挖过程中应力扰动程度难以表征，尤其是主应力方向改变难以量化的问题，基于应力张量间距离建立应力扰动度指标(SDI)，可以定量描述主应力大小和方向的改变。依托加拿大Mine-by深部地下实验室工程和锦屏地下实验室二期(CJPL–II)工程，研究隧洞分步开挖时主应力及其应力扰动度指标的变化特征。结果表明，隧洞开挖过程中，轴向不同位置处应力受扰动度与掌子面位置有关，具有明显的空间分布特征，应力仅在掌子面影响区域内受扰动剧烈。沿隧洞径向方向应力扰动度从洞壁到围岩深部逐渐降低，当掌子面开挖接近监测断面时，应力扰动深度逐渐增大，随着掌子面远离，扰动深度逐渐减小。洞壁处SDI最大，但主应力方向扰动度则不一定最大，峰值位置随掌子面位置变化。扰动度指标物理意义明确，合理地描述隧洞开挖时主应力大小和方向的改变，并且主应力大小和方向的扰动度指标量纲一致，可方便地进行比较。该研究可以为深部地下工程中的围岩稳定性分析和支护设计提供量化的应力扰动评价指标。     

隧道爆破近区爆破振动测试研究

 隧道掌子面附近围岩的稳定性对施工人员和隧道自身的安全至关重要,实践证明,由隧道爆破远区振动数据得出的围岩振动规律不适用于爆破近区。因此,测试隧道爆破近区围岩的振动、研究隧道掌子面附近围岩的振动规律是隧道钻爆施工安全的重要保证。以贵阳-广州铁路棋盘山隧道为工程背景,在隧道掌子面后方隧道拱顶5 m范围的围岩内安装定制的速度传感器,测试隧道拱顶部位围岩的爆破振动速度;利用隧道中导洞的开挖,在中导洞掌子面正上方和侧面2 m范围的围岩内安装定制的速度传感器,测试掌子面正上方和侧面围岩的爆破振动速度;研究隧道掌子面后方隧道拱顶、掌子面正上方和侧面围岩的爆破振动规律。研究成果对隧道钻爆施工具有一定的指导意义。     

Mine-by试验洞开挖过程中围岩应力路径与破坏模式分析

 地下洞室开挖过程中,围岩经历了复杂的应力路径,正确刻画围岩的应力路径及其影响是岩石地下工程中亟待解决的关键科学问题。基于起裂判据(CIC)、扰动应力比( )和Lode参数等力学表征指标,采用FLAC3D对Mine-by试验洞掌子面掘进过程中围岩的复杂应力路径和破坏模式进行探讨。研究表明：围岩应力场的扰动主要集中在掌子面前后一倍洞径范围内,围岩损伤受掌子面附近高度集中的偏应力和应力主轴旋转支配;随掌子面掘进,围岩顶部和底部偏应力集中程度加大,应力比n逐渐降低,逐步形成V型剥落,而隧洞边墙部位逐渐卸荷,损伤破裂转变为拉应力控制;原位岩体的应力路径涉及应力主轴旋转效应,远比实验室的单调加载路径复杂,Mine-by试验洞开挖过程中,在掌子面的顶部和底部,围岩大主应力方向几乎没有转动,而中主应力和小主应力旋转一定角度(35.2°)后回到初始方向,由于中主应力超过了岩体起裂强度(CIC＞1),其方向的旋转加剧了围岩的损伤程度。相关认识和结论具有一定的理论和工程意义。     

白鹤滩柱状节理玄武岩隧洞开挖微震活动时空演化特征EI北大核心CSCD

金沙江白鹤滩水电站导流洞III1类柱状节理玄武岩发育,开挖过程中松弛破坏明显,对施工人员安全及施工进度造成严重影响。基于微震监测技术对白鹤滩柱状节理玄武岩导流洞开挖全过程进行研究,沿隧洞轴向方向,柱状节理玄武岩微震活动集中于开挖掌子面附近,服从三参数Logistic分布。掌子面附近及其后方微震活动分布可分为3个区域:开挖强卸荷区、综合影响区和时效松弛区,在开挖强卸荷区范围内应完成锚杆支护。隧洞开挖过程中,柱状节理玄武岩微破裂由隧洞边墙快速向围岩内部发展,当掌子面距离较远时,边墙内微破裂活动较微弱,微破裂集中区最终稳定在距边墙6 m范围内。降低开挖速率能有效减弱开挖卸荷对柱状节理玄武岩的影响。所得认识和结论对微震监测技术的应用以及柱状节理隧洞开挖方案和支护措施的优化具有参考意义。     

白鹤滩柱状节理玄武岩隧洞开挖微震活动时空演化特征

金沙江白鹤滩水电站导流洞III1类柱状节理玄武岩发育,开挖过程中松弛破坏明显,对施工人员安全及施工进度造成严重影响。基于微震监测技术对白鹤滩柱状节理玄武岩导流洞开挖全过程进行研究,沿隧洞轴向方向,柱状节理玄武岩微震活动集中于开挖掌子面附近,服从三参数Logistic分布。掌子面附近及其后方微震活动分布可分为3个区域:开挖强卸荷区、综合影响区和时效松弛区,在开挖强卸荷区范围内应完成锚杆支护。隧洞开挖过程中,柱状节理玄武岩微破裂由隧洞边墙快速向围岩内部发展,当掌子面距离较远时,边墙内微破裂活动较微弱,微破裂集中区最终稳定在距边墙6 m范围内。降低开挖速率能有效减弱开挖卸荷对柱状节理玄武岩的影响。所得认识和结论对微震监测技术的应用以及柱状节理隧洞开挖方案和支护措施的优化具有参考意义。     

TBM通过不良地质地段的施工技术

昆明上公山引水隧洞在采用TBM 开挖过程中,遇到了地质条件十分复杂、断层裂隙发育、地下裂隙水十分丰富以及掌子面大量涌水的不良地质地段,隧洞围岩大部分属于我国水电分类中的IV,V 级围岩。在TBM 通过这些不良地质地段时,采用了超前地质钻探、聚氨酯化学灌浆、增加污水水箱数量以及更换大管径排水管等技术措施,其中化学灌浆是最主要的技术措施,从而有效地解决了排水问题,防止了掌子面围岩的坍塌,保证了TBM安全通过不良地质地段,按时完成了开挖进度,取得了良好的施工效果。     

地质雷达探测偏压隧道围岩松动圈的研究与应用

 基于地质雷达测试原理,论证地质雷达用于围岩松动圈探测的可行性。采用LTD–2100地质雷达对云南富邦偏压隧道进行实测,得出如下结论：与常规隧道松动圈相比,地质顺层偏压隧道围岩松动圈厚度偏大;偏压荷载较大一侧的松动范围大于另一侧;最大松动范围出现在拱顶或拱肩位置。基于此,提出针对地质顺层偏压隧道衬砌设计方案及事故处理措施,同时结合现场实际探讨地质雷达测试围岩松动圈的可行操作方法。研究结果验证了地质雷达探测围岩松动圈的可行性,同时为隧道的开挖、支护、施工提供支持与借鉴。     

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。     

隧道中用陆地声纳法在开挖的岩面或衬砌表面测围岩松弛带深度

陆地声纳法在浅层勘查、隧道地质预报等方面已有大量应用,它可用锤击震源在隧道壁测量围岩松弛带的深度,经与双孔对穿声波测量法对比,二者所测结果相符。陆地声纳法现场采集简便,所需时间远少于声波测量法,还可在钢筋混凝土衬砌完成后进行。陆地声纳法可在围岩面、喷层表面或衬砌表面测出松弛带的界线及其反射时,并用折射波法或共中心点法测出松弛带岩体的平均波速,由此计算松弛带的深度。     

Analysis on microseismic characteristics and stability of the access tunnel in the main powerhouse,Shuangjiangkou hydropower station,under high in situ stress

Access tunnel in the main powerhouse of Shuangjiangkou hydropower station was deep buried with high in situ stress and complex geological conditions. Microseismic monitoring technology was established to monitor microcrack evolution process inside the surrounding rock in early excavation stage. Serious falling blocks in the left spandrel of the tunnel were predicted in a timely manner by delimiting major damage areas in the tunnel. Based on comparative analysis on microseismic activity law and field failure characteristics of the access tunnel, a quantitative index was supposed between slight rockburst like falling blocks and microseismic events. Moreover, the change law of daily average apparent stress difference and b value were analyzed based on microseismic event data. In addition, a three-dimensional numerical simulation software (RFPA3D) was used to simulate the damage distribution around the tunnel, and a relationship between spatial position of tunnel damage and direction of the maximum principal stress was qualitatively analyzed. The study results showed that advance speed of the tunnel working face was an important factor affecting the state of stress redistribution in surrounding rock mass, and the change law of b values of microseismic events could be used to predict activity state inside the surrounding rock effectively, which reflected mechanical properties and stress state of surrounding rock. In particular, field falling blocks became more serious with increasing b value, and field surrounding rock was relatively stable with minor b value. A risk of surrounding rock instability was relatively high with small b values. It provided an efficient method of predicting and assessing slight rockburst like falling blocks. The study results can provide significant guidance for field construction and later construction planning.

     

大断面隧道爆破开挖围岩损伤范围试验研究及数值计算

 结合大帽山大断面隧道群的现场声波监测,研究推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法施工的大断面隧道的围岩累积损伤范围,声波监测结果表明,在推进式的多次爆炸荷载作用下,围岩将产生一定程度和范围的损伤;侧壁围岩的累计损伤范围主要由与其齐平的导洞I的开挖掌子面爆破决定;其损伤范围随着导洞I开挖掌子面的接近而逐渐增大,当两者齐平时围岩的损失范围达到最大;但当导洞I开挖掌子面逐渐远离和导洞III爆破开挖通过时,围岩的损伤范围并没有扩大,仅导致损伤围岩的损伤程度增大。基于此,在模拟推进式往复爆破荷载作用下围岩的损伤范围时,用与监测断面齐平的单次爆破近似表示推进式的多次爆破,通过DYNA软件将此决定围岩损伤范围的振动速度转化为爆炸压力,再将爆炸压力传递给用UDEC软件实现的各向异性岩体损伤模型,通过与声波监测结果对比,此方法可以较好地模拟推进式往复爆炸荷载作用下围岩的累积损伤范围,并可为类似工作提供参考和借鉴。     

大断面软岩隧道开挖空间效应影响分析

以长城岭软岩隧道为背景,通过现场监测和数值模拟,分析了隧道施工过程中围岩变形的三维空间演化规律,得出不同施工工法、断面尺寸和围岩等级对隧道开挖面空间效应的影响;结合正交实验和极差分析得到三类因素对开挖面空间效应影响的优先次序.结果表明:开挖面从逼近监测断面到通过监测断面再到远离,围岩主要经历了预变形、急剧变形和变形稳定...     

岩脉对隧道围岩稳定性影响分析

岩脉是一类特殊的工程岩体,旧堡隧道施工中遇到了辉绿岩和花岗伟晶岩两类岩脉。其中辉绿岩脉在400m埋深处发生了热液蚀变,试验测得其膨胀力为25kPa,自由膨胀率为0.75%,软化系数小于0.12,遇水软化是蚀变带围岩发生大变形的重要原因;花岗伟晶岩脉与围岩呈破碎接触,破碎带岩体呈碎裂结构,属Ⅳ-Ⅴ类围岩,塌方时有发生。通过施工工程地质勘察,查明岩脉工程地质条件是解决相关问题的前提之一,提出以超前地质预报和施工监测作为施工工程地质勘察的两大技术手段。针对辉绿岩脉蚀变带大变形问题,采用了注浆堵水的措施防止围岩大面积淋水软化变形,效果良好。     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。     

深井巷道围岩主应力差演化规律物理模拟研究

以山东郓城煤矿深井破坏巷道为工程背景,在大尺度(1.0 m×1.0 m×1.0 m)真三轴模拟试验系统上再现其开挖卸荷效应的全过程,通过模型内部切片法获得深井巷道围岩无支护条件下的破坏模式和范围;借助自主研发的三维应力测试元件揭示深井巷道不同深度处围岩真实的加卸载应力路径与开挖前后应力状态,重点分析松动圈内外围岩主应力差的演化规律,并结合围岩破坏范围及模式对其机制进行探讨。