施工期铁路隧道软岩大变形快速分级方法研究

研究目的:西南复杂艰险山区等典型构造活跃区的构造地质环境复杂,断裂、褶皱发育,构造应力显著,铁路隧道围岩大变形问题突出,随着构造活跃区铁路隧道工程日益增加,将面临更严峻的大变形问题。在隧道施工开挖过程中,快速判别可能发生的大变形等级,有利于施工工法的调整和支护措施的制定。研究结论:(1)深入分析构造软岩大变形工程案例,以施工期掌子面开挖揭示围岩分级数据为基准,结合区域地应力、岩层厚度、岩性等大变形关键控制因素,快速判定大变形等级,提出了施工期铁路隧道围岩大变形快速分级方法,并结合典型工程案例对分级方法的有效性和准确性进行了验证;(2)本研究成果可应用于施工期间铁路隧道开挖围岩大变形的快速分级,适用于工程地质勘察领域。

山区铁路隧道底鼓变形评价方法研究

研究目的:山区铁路隧道底鼓变形是近年来高速铁路运营阶段的一种常见病害,由于其变形机理复杂,目前尚无具体可靠的评价方法,本文通过总结10座隧道底鼓案例,对铁路隧道底鼓工程特征、变形机理、致灾因子进行系统研究,提出更符合工程实际的定量分级方法。研究结论:(1)基于工程案例统计分析,提出了铁路隧道底鼓为类似“两端固定的板梁受力后向临空面弯曲”的蠕变变形机理;(2)提出了基于隧道开挖跨度、最大初始地应力、岩层层厚、岩层倾角、岩石单轴饱和抗压强度五项指标的定性判识方法;(3)建立了基于岩石强度应力比R/σ_(max)和岩层层厚h两项关键指标的铁路隧道底鼓等级划分标准;(4)本研究成果适用于山区铁路隧道勘察、施工、运营三阶段隧道底鼓变形分级分段评价,具有很好的推广应用前景。

基于AHP-3DEC的危岩落石危险性分区与评价

山区高速铁路受线路平顺性及地形的限制,部分危岩发育地段无法绕避,给工程建设及运营安全提出了严峻挑战。文章在无人机三维倾斜摄影的基础上利用数字地质调绘技术对拟建济南至枣庄铁路杏花峪隧道进口危岩体的发育特征、规模、变形破坏模式进行了准确的判识,通过将3DEC数值模拟与层次分析法结合,获得了崩塌落石的影响范围和危险性分区图,开展了危险性分区评价,提出了防治措施。研究表明:三维倾斜摄影模型识别出的12处危岩带中,只有5号危岩带威胁隧道洞口和桥台安全,并建议采用“被动防护网+明洞”方式进行综合防治。研究成果为危岩落石灾害的危险性分区评价提供参考,为铁路选线及防灾减灾提供依据。

隧道围岩构造软岩大变形发生机理及分级方法

通过系统分析国内外隧道围岩大变形案例,发现应力场、地质构造、地层岩性等因素是驱动隧道围岩大变形孕育发生的根本条件,并严格受构造控制,进而提出构造软岩大变形的基本概念;根据大变形的构造控制理念与发生机理,对隧道构造软岩大变形分类进行了重新界定(断层型、碎裂型和小夹角型)。以岩石强度应力比为基础,突出构造运动影响,量化考虑地层时代、优势结构面产状、岩石强度、岩层厚度、岩体完整性5个影响因素,提出适用于不同地质勘察阶段的隧道围岩大变形分级方法。利用垭口隧道、盐边隧道、新林隧道等18个隧道围岩大变形案例,对本文提出的构造软岩大变形分级方法进行系统验证,表明本文提出的分级方法具有较好的适用性。研究成果对隧道围岩大变形发生机理认识、大变形灾害判识与控制均具有重要指导意义。

花岗岩单轴压缩全过程声发射时空演化行为及破坏前兆研究

利用MTS815岩石力学试验系统与PCI-2声发射系统,开展花岗岩单轴压缩全过程声发射定位试验,通过对岩石破裂过程中声发射时空演化特征、能量释放规律研究发现:岩石单轴压缩全过程中声发射时序参数演化过程,可分为上升期、平静期和波动期3个阶段;AE信号源的空间分布和聚集位置,可对应岩石内部应力集中和宏观破碎严重区域;随着荷载逐渐增大,AE事件由前期低能量、小裂纹事件向高能量大事件转化,大量微破裂成核、扩展,最终贯通为宏观裂纹,试样完全破坏且大部分能量得到释放。基于声发射时空演化的破坏前兆特征研究发现:岩石单轴压缩全过程中,AE平静期、AE能率、AE振铃计数率和岩石扩容可作为预测岩石破坏的指标,其中AE能率和AE振铃计数率对岩石失稳破坏的预测最敏感,其次是AE平静期现象,再次为扩容点。本文研究可为高地应力区地下厂房岩体稳定性监测与预报提供依据。

猴子岩水电站地下厂房岩爆综合预测研究

中国西南地区在建的猴子岩水电站地下厂房,具有高边墙大跨度的特点。且位于高地应力区,实测最大主应力值高达36.43 MPa。地下厂房区域的灰岩坚硬完整、脆性程度高,具备高储能条件,在施工开挖扰动因素下有可能发生岩爆动力地质灾害。依照岩爆综合预测研究的思路,结合前期猴子岩水电站地下洞室群岩爆倾向性研究,开展岩爆趋势预测研究。建立三维有限元计算模型,根据实测地应力资料进行初始地应力场拟合,模拟猴子岩水电站地下洞室群分步开挖过程,选择王兰生二郎山隧道判据进行岩爆趋势预测。通过分析主厂房、主变室、尾调室三大洞室分步开挖过程中的岩爆趋势预测情况可知:猴子岩地下洞室群开挖过程中主要发生轻微岩爆,个别区域可能发生中等岩爆,与实际情况相比仍有一定差异。同时,归纳已有的多种岩爆预测判据,结合大量工程资料,对岩爆判据的适用性进行系统探讨。研究表明,单一判据在工程中有较大的局限性,预测结果与实际情况有较大偏差;而五因素综合判据则能较准确地反映工程的岩爆情况。

铁路隧道双指标高地应力界定及岩爆大变形分级标准

研究目的:目前国内外针对高地应力环境隧道岩爆大变形分级的判识以理论研究为主,结果与实际施工开挖后多有出入。因此,本文通过总结78个铁路、公路隧道和水电站引水隧洞工程案例,对隧道围岩的高地应力状态及岩爆大变形分级界定进行系统研究,结合目前实际工程中采用的隧道相关设计规范,对传统高地应力判识标准及岩爆、大变形分级标准进行优化,提出更符合工程实际的定量界定方法。研究结论:(1)基于工程案例统计分析,建立了采用强度应力比和最大地应力绝对值的双指标高地应力定量界定方法,提出了分别针对硬质岩和软质岩的双指标高地应力定量判识表;(2)提出以岩石强度应力比R/σ_(max)和最大地应力σ_(max)双指标的岩爆等级划分标准,提出以岩体强度应力比R_(m)/σ_(max)和最大地应力σ_(max)双指标的大变形等级划分标准;(3)本研究成果可应用于铁路隧道围岩高地应力状态的判识和灾害等级的划分,适用于工程地质勘察领域。

不同赋存深度煤的物性特征

浅部矿产资源日益枯竭,深部地下开采将成为常态。因此,对不同赋存深度,尤其是超千米深煤岩开展系统研究具有重要的工程意义。现有研究大多通过改变围压、温度等条件来模拟岩体所处的外在环境,并未采用真实赋存深度样品开展研究,同时忽略了原位岩体初始结构、物质组成和性质的差异。对取自平顶山矿区已组煤层300,600,700,850和1 050 m五个不同深度的煤岩开展系统试验,研究不同赋存深度煤岩成分、细观结构、瓦斯吸附及声学特性。测试结果表明:随着赋存深度增加,煤的组成和结构发生改变,变质程度增大,结构更为致密,瓦斯吸附能力增强,超声波在其内传播发生散射和折射的几率减少,损耗能量降低,纵波波速增大。该成果可为后续开展不同赋存深度煤岩宏观力学特性相关研究提供借鉴。

易碎岩层原位剪切强度参数获取方法研究

研究目的:工程实践中常遇到全/强风化岩体、受构造影响强烈的破碎岩体和软质岩等无法取心的易碎岩层,难以测取岩层强度参数,急需发展适合此类易碎、难取心岩层力学参数的原位测试方法。研究结论:(1)梳理了岩土体钻孔原位剪切技术要点,根据岩土体原位剪切技术及装备的压力范围和适用场景,提出了易碎岩层强度参数获取方法和步骤;(2)根据岩石软硬程度、风化程度和岩体破碎程度,按就低原则给出不同情况下易碎岩层强度参数获取适用的钻孔原位剪切技术及装备选取建议;(3)在强风化花岗岩、节理裂隙发育的白云岩以及受构造影响严重的花岗岩等典型易碎岩层中进行了应用,获取的岩体参数与经验取值或规范建议范围较为符合;(4)本研究成果可为其他易碎地层原位参数的获取提供参考。

基于能量特征的不同深度煤岩脆塑性评价方法

基于平顶山煤不同赋存深度下煤岩试样三轴压缩试验结果,分析了煤岩破坏过程中能量演化特点及深度特征,提出新的脆性度指标并进行了煤岩脆塑性分析。研究表明,随着赋存深度增加,煤岩破坏前后产生的耗散能、峰值应力处储存的可释放弹性能、峰值应力后残余的弹性能均呈增长趋势,煤样破坏时释放的弹性能呈减小趋势;不同赋存深度煤岩变形破坏特征峰前以脆性为主,峰后以塑性为主。随赋存深度增加,煤岩峰前的塑性特征和峰后的延性特征均更为明显。

构造活跃区铁路隧道构造软岩大变形的总体特征和控制因素

西南复杂艰险山区等典型构造活跃区隧道围岩大变形问题突出,仍需进一步研究西南山区等构造活跃区铁路隧道大变形的控制因素。为此,本文以西南活跃区软岩大变形隧道为主要研究对象,对西南山区构造活跃区地质环境特征进行了系统梳理,总结了此区域内的拉林线江木拉隧道、丽香线中义隧道和成昆复线大坪山隧道等典型大变形隧道隧址区地质构造、地应力场和地层岩性的共性特征,综合分析构造软岩大变形的受控因素和总体特征,研究成果和结论可为西南山区铁路隧道大变形的机理认识和预测防控提供参考。

不同赋存深度岩石力学行为差异及本构模型研究

深部资源开采和深地空间利用已成为常态,深部工程开发将是我国未来重要发展领域。符合深部特征的岩石力学行为及基础理论研究是保障深部工程安全高效开发的核心关键。总结了近年来在不同赋存深度岩石力学行为及本构模型方面的研究进展:依托千米级深部煤炭综合开采基地—平煤矿区(1100m)和世界上埋深最深的锦屏地下实验室(2400m),以赋存深度为研究主线,初步研发了考虑深部赋存环境和工程扰动特征的岩石力学测试技术,揭示了不同赋存深度岩石的动静力学行为差异,构建了考虑赋存深度影响的岩石本构关系和能量灾变分析模型,并在平煤矿区和锦屏地下实验室等深部工程实践中实现了初步应用,成果对于促进深部资源和深地空间的高效安全开发具有重要意义。

基于Data Mining技术的平顶山矿区不同赋存深度采动煤岩体巷道稳定性研究

为探究不同赋存深度采动煤岩体巷道稳定性及其差异性,选择Data Mining(数据挖掘)技术,基于平顶山矿区不同赋存深度(700 m,850 m,1 050 m)巷道的现场监测数据,选择多元线性回归和神经网络模型对顶板离层进行公式拟合和影响因素的权重分析,并开展顶板离层及锚杆应力的时序预测研究,初步揭示不同赋存深度开采扰动影响范围、巷道变形及应力变化特征。研究结果表明:(1)距工作面距离及锚杆应力对顶板离层变化影响最大,但随着赋存深度的增加,其所占权重降低近50%。(2)顶板离层及锚杆应力的时序预测分析发现,随工作面推进,赋存深度1 050 m巷道顶板离层位移及锚杆应力将出现激增现象,且其最大锚杆应力预测值达15 MPa,为千米以浅两巷道的2~3.5倍;离层预测值高达80 mm,为千米以浅两巷道的6~8倍。表明随着赋存深度增加,煤岩巷道变形及应力变化受开采扰动的影响越来越剧烈,对千米以深巷道应及时加强开采过程中的稳定性监测及控制工作。以上技术路线和研究结果对不同赋存深度煤炭资源安全高效开采具有一定指导作用。