深厚含水围岩预锚注初期支护的圆洞力学模型及其开挖安全分析

为解决深部地下工程面临的高水压支护设计和施工方面的理论难题,提出基于预锚注初期支护的高水压圆洞力学模型。首先,将岩土力学“流固耦合”原理应用于预锚注支护下开挖卸载力学模型的解析,获得应力场、位移场、渗流场的解析求解表达式,并通过有限元数值解对解析解的正确性进行验证;其次,图形化展示径筋支护参数对初期支护区围岩的应力场的影响规律;最后,基于最大有效剪应力求解和Hoek-Brown岩体破坏准则,诠释采用预锚注支护来确保洞体安全开挖的原理,揭示径筋参数、洞口直径对开挖卸载安全的影响规律。结果表明:1)解析解与数值解的规律基本一致;2)预锚注初期支护可从2方面提高开挖后围岩的安全性,一是通过增大围岩径向应力以降低洞边固体有效剪应力,二是通过提高岩体完整性使得围岩屈服面外扩增大;3)径筋参数对承载安全的影响程度由大至小依次为径筋直径、径筋数量、径筋长度;4)径筋锚注支护作用获得的安全系数随着洞径的增大而逐渐降低。

隧道含水围岩非均质各向异性渗透特性的研究

在隧道突水预测中，由于含水围岩渗透具有较强的非均质各向异性，常影响隧道实水预测、预报的准确性。为了解决这个问题，本文以中国南昆铁路二排坡隧道为例，提出了用渗透张量新方法进行隧道含水围岩非均质各向异性渗透的计算分析，以提高隧道突水来源、突水位置、以及突水量的预测预报准确度。

基于应变软化深埋巷道含水围岩的弹塑性极限平衡分析

在岩体内开挖巷道后,由于干扰了原岩应力分布和渗透水压力的作用,巷道含水围岩中呈现次生应力,这种新出现的不平衡应力是引起岩体产生变形、位移,甚至破坏的主要根源。以圆形截面巷道为例,结合莫尔-库仑理论从围岩弹塑性变形的角度出发,在考虑了围岩应变软化所引起围岩损伤的基础上,计算和分析了地下巷道含水围岩达到极限平衡时围岩塑性区范围与相应支护抗力之间的关系,为实际地下工程施工和支护提供了理论基础。

圆形井巷含水围岩的岩体—水力学分析

本文根据深埋圆形井巷含水围岩特有的岩体--水力学作用机理,将水压当作体积力考虑,用粘弹塑性理论导出有关围岩和衬砌的计算公式.由于支护前后水荷载的消长,产生对衬砌有利的附加支护抗力.利用这一时差效应,可获得较大的经济效益.已建工程实践证实本文所建议的方法对解决深埋井巷设计难题有用.

深埋隧硐含水围岩弹塑性稳定极限平衡分析

在岩体内开挖隧硐后,由于干扰了原岩应力分布和渗透水压力的作用,硐室含水围岩中呈现次生应力,这种新出现的不平衡应力是引起岩体产生变形、位移甚至破坏的主要根源 以圆形截面隧硐为例,在莫尔库仑理论的基础上,从围岩弹塑性变形的角度出发,分析和计算地下隧硐含水围岩极限平衡时的稳定性和临界支护抗力。

隧道裂隙含水围岩非均质各向异性张量应用分析

以西康铁路秦岭特长隧道为例 ,提出了用渗透张量新方法进行隧道含水围岩非均质各向异性渗透的计算分析 ,以提高隧道突水来源、突水位置、以及突水量的预测预报准确度。

水工压力隧洞含水围岩的弹塑性应力分析

本文依据《水工隧洞设计规范SD134—84》,将外水压力作为场力处理,系统地讨论了水工压力隧洞含水围岩渗透水压力分布规律,建立了隧洞含水围岩在施工期和运行期的弹塑性应力分析方法,给出了相应的解析计算公式。

不同岩体含水率对隧道围岩安全影响及防控措施的研究

以北京地铁隧道工程为案例,探索在持续降雨的过程中隧道上覆岩体的含水量不断提高,对隧道衬砌顶板、拱肩及拱腰关键部位的应力影响特点以及隧道衬砌最大主应力分布特点,分别设计上覆岩体含水量为10%、15%、20%、25%、30%五种工况,利用FLAC3D有限差分软件进行数值模拟分析计算,得出了含水率对垂直应力和水平应力的影响情况。在不同降雨工况下,对研究区域设计了不同的下凹式绿地雨水渗蓄优化方案,计算出了下凹式绿地在暴雨期间的雨水蓄渗能力,得出了不同工况下凹式绿地雨水渗蓄方案。

高应力大倾角含水极松软围岩巷道综合控制机理及支护技术研究

通过对桃园煤矿高应力复杂煤层巷道进行围岩条件分析,提出了新型锚注支护技术方案,将锚杆与注浆相结合,从而有效地控制了复杂煤层巷道的大变形,成功地解决了此类巷道的支护难题。

围岩含水条件下快速测压工艺

围岩含水条件下,高压注浆可以实现封堵渗水裂隙,利用胶囊粘液封孔法传统与改进工艺对比测定煤层瓦斯压力,通过在平煤天安十一矿的试验与应用对比,从而在实践中论证了胶囊粘液封孔-补气法快速测压的可行性。

低透气性煤层围岩含水条件下测压技术

通过在中煤集团大屯公司孔庄煤矿的现场测压,发现对于低透气性围岩含水煤层测压过程中易出现瓦斯压力变化异常、测定压力为煤层水压等情况。通过建立测压过程测压气室的等效模型,并对其进行简化分析,得出了影响现场测压的基本参数,并针对这一结论进行现场的验证测压试验。提出了能够提高低透气性围岩含水煤层瓦斯压力现场测定工作准确性和有效性的几点建议。

黄土隧道围岩含水率变化及拱架受力特征研究

为了研究黄土隧道围岩含水率和钢拱架应力在施工期间的变化规律,以在建银西高铁董志塬区上阁村隧道为例,采用现场监测方法,对黄土隧道围岩体积含水率变化规律和钢拱架受力特征进行分析研究。结果表明:黄土隧道围岩含水率在时间上呈先增长后平稳的两阶段变化,在空间上表现为拱顶和拱腰位置的含水率总体小于拱脚和仰拱底部的含水率;钢拱架应力在施工期内呈先非线性增大后出现波动最后趋于平稳的三阶段变化规律,在施工期内钢拱架对承受围岩压力、确保大断面黄土隧道围岩稳定性方面发挥着重要作用。建议对大断面黄土隧道在施工期内形成"勤测含水率、重视防排水、加强初支"的管理理念。

红黏土隧道围岩含水率变化及变形特征分析

银西高速铁路庆阳隧道洞身主要围岩为红黏土。本文通过现场监测,对庆阳隧道从初期支护开始近2个月内围岩含水率、钢拱架应力及围岩变形的变化规律进行分析。结果表明:红黏土隧道围岩含水率、钢拱架应力和围岩变形先增大而后趋于稳定;含水率和钢拱架应力的增长波动期一般为2~4周,围岩变形增长期一般为2周;含水率趋于稳定后拱顶和拱腰处围岩含水率明显小于拱脚和仰拱处;增长期围岩变形线性增大,变形基本稳定后拱顶沉降大于水平收敛;钢拱架承受围岩压力,对确保红黏土隧道围岩的稳定起着重要作用。

银西高铁黄土塬区古土壤围岩隧道含水率变化特性研究

以银西高铁早胜三号隧道为例,采用现场监测,对黄土塬区古土壤隧道围岩含水率及钢拱架应力变化特征进行研究。结果表明,古土壤隧道围岩含水率具有明显的时空效应,在时间上呈"增大-波动-平稳"的三阶段变化趋势,含水率趋于稳定后仰拱和拱脚部位围岩含水率均大于拱顶和拱脚处,且仰拱处含水率增幅在整个断面呈最大;钢拱架主要承受压应力,拱顶和拱腰处的钢拱架压应力最大,钢拱架在施工期内承受围岩压力、确保大断面古土壤隧道围岩稳定性方面发挥着重要作用;深埋古土壤隧道围岩变形以拱腰和边墙部位的水平收敛和沉降变形为主,拱顶沉降变形较小。

含水和不含水岩体隧洞群爆破开挖的震动比较

一般地下岩体中都含有孔隙水,孔隙水的存在对于隧洞爆破工程有着重要影响。多条隧洞爆破开挖时,含水隧洞围岩在爆破激励作用下,巷道之间也会互相影响。采用现场爆破监测和数值计算相结合的方法,对含水、不含水2种不同的工况进行了计算研究:对隧洞群的爆破开挖进行了监测,提取其中较强的震动信号,根据最不利工况的选择,把它加载到根据实际情形建立的地下隧洞群模型上,模拟某次实际的爆破过程。提取计算时程中不同巷道部位较危险位置围岩点的震动数据加以分析,得到饱和水围岩在爆破震动下的变化规律,对含水围岩的安全趋势做出研判,对同类工程的安全施工作业具有参考价值。

含水砂岩和大理岩动态冲击性能分析

文章通过对烘干、天然含水和自由吸水状态下的灰砂岩、红砂岩和大理岩进行分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验,分析应变率与动态抗压强度的关系以及入射能与耗散能的关系,以天然含水状态岩石动态抗压强度为参照,分析烘干、自由吸水状态下的岩石动态抗压强度变化情况。研究发现,自由吸水状态灰砂岩和红砂岩的动态抗压强度明显降低,大理岩动态抗压强度变化不大;烘干状态下,大理岩动态抗压强度明显降低,灰砂岩动态抗压强度变化不大,红砂岩动态抗压强度明显提高;岩石单轴抗压强度大于56.16 MPa后,自由吸水状态显著降低其动态抗压强度,岩石单轴抗压强度大于74.53 MPa后,自由吸水岩石的动态抗压强度对应变率变化更加敏感。因此,在较坚硬的砂岩中进行动态冲击类型的机械破岩工程中,提高冲击速度的同时,尽量提高岩石的含水率,破岩效果更好;相比于提高其含水率,对大理岩提前进行烘干处理,破岩效果会更好。

爆破开挖扰动下深埋隧洞围岩含水裂隙起裂机制研究

为给富水地层钻爆法施工深埋隧洞突水灾害防控提供理论支持,针对爆破开挖扰动下深埋隧洞围岩含水裂隙起裂机制,明晰爆破与开挖瞬态卸荷双重动力作用下深埋隧洞裂隙围岩物理开挖过程和力学状态调整过程,揭示爆破荷载作用过程中深埋隧洞裂隙围岩应力状态的动态调整机制,建立考虑爆破荷载与地应力瞬态卸荷双重动力耦合作用的含水裂隙及其支裂纹尖端应力强度因子计算方法,并分析裂纹面倾角、裂隙水压力、爆破强度以及地应力水平对含水裂隙支裂纹应力强度因子的影响规律。结果表明:爆破荷载作用初期含水裂隙支裂纹应力强度因子迅速增加,爆破荷载过峰值后裂纹应力强度因子快速下降;地应力卸荷强化了围岩含水裂隙的扩展能力,支裂纹应力强度因子在卸荷结束时变现出现陡增现象;含水裂隙支裂纹尖端应力强度因子随裂纹面倾角的增大而显著减小,随裂隙水压力的增加而小幅增加,地应力卸荷前支裂纹应力强度因子随爆破强度增大而明显增加;在爆破荷载快速增加阶段,支裂纹应力强度因子随地应力水平增加而减小,卸荷即将结束阶段,支裂纹应力强度因子随地应力水平增加而增大,高地应力水平的卸荷作用会显著促进围岩含水裂隙起裂扩展,加剧围岩水力破坏。

考虑中间主应力影响水底隧道围岩与衬砌流固耦合弹塑性解

裂隙岩体在渗流水荷载作用下的裂隙围岩流-固耦合研究是隧道工程研究的热点问题,而计及中间主应力影响的隧道围岩流-固耦合应力计算鲜见介绍。采用双剪统一强度理论屈服模型,计及中间主应力影响,分析了在渗流水荷载作用下隧道围岩处于弹性、软化、塑性流动时的流-固耦合问题,并给出了含水围岩、衬砌应力、位移与变形区界面半径解析计算式。其结果对水底隧道围岩稳定分析与衬砌结构设计计算具有工程实用意义。

西部含水弱胶结围岩-充填层-钻井井壁流固耦合作用机理分析

钻井法凿井具有本质安全、机械化程度高和成井质量好等优点,是我国深立井施工自动化、智能化的发展方向。开展钻井井壁、充填层和含水弱胶结围岩共同作用机理研究,为钻井法凿井在西部深厚含水弱胶结岩层中应用提供基础。首先,针对钻井井壁在正常使用阶段的工作条件,构建含水弱胶结围岩-充填层-钻井井壁流固耦合作用模型,基于厚壁圆筒理论、广义有效应力原理和达西渗流理论推导渗流场、应力场解析解;然后,以即将建设的陶忽图煤矿北风井为工程背景,得到该井筒周围渗流场及应力场分布规律,并通过数值计算方法对解析解进行验证。在此基础上,研究充填层的作用机理,分析充填层对井壁长期外荷载的影响。结果表明:径向有效应力分布曲线与孔隙水压力分布曲线的变化规律相似,越靠近井筒中心,孔隙水压力及径向有效应力越小;环向应力总体表现为越靠近井筒中心越大,最大值出现在井筒内侧。降低充填层的渗透率和增加充填层的厚度,提高了充填层分配有效应力和孔隙水压力的能力,传递到井壁的有效应力和孔隙水压力均降低;增大弹性模量,提高了充填层分配有效应力的能力,传递到井壁的有效应力降低。在西部地区钻井法凿井中,不应采用碎石充填,应研制高性能水泥砂浆充填材料;在钻进过程中,应控制偏斜率,提高充填层有效厚度。研究结果揭示了西部含水弱胶结岩层钻井井壁在使用阶段的受力机理,为钻井井壁长期受力分析提供了基础。

第三系弱成岩砂岩TBM卡机蠕变机理分析

以引洮9号隧洞为例，利用国际通用的Burgur蠕变模型，对卡机事故围岩蠕变进行了定量分析，分析结果表明，在第三系弱成岩砂岩中围岩蠕变是导致卡机事故的重要原因。卡机段围岩含水率增加了2％左右，强度参数下降了30％～50％，围岩强度的变化使得蠕变加速，卡机风险增加。