岩爆机制及其控制

随着岩体工程向深部发展,开挖引发的围岩大变形和强冲击诱发的动力破坏日益严峻。岩爆作为深部地下工程中常见的一种强动力灾害,被称为岩土工程界的“癌症”,其具有突发性特点,难以有效预报及防治,严重地威胁着施工人员的安全和设备的正常运行。通过对比岩石在真三轴卸荷和单轴压缩这2种应力路径下的储能差异,对岩爆多余能量机制进行探讨。首先,根据岩爆诱发机制的不同,将岩爆分为由应力集中导致的应变型岩爆和扰动诱发的冲击岩爆。然后,模拟开挖诱发的不同类型岩爆的应力路径进而在室内再现各种岩爆现象,并对其机制进行研究,自主研发3套真三轴岩爆模拟试验系统:第1代应变岩爆试验系统、第2代应变岩爆试验系统、冲击岩爆试验系统。同时,在实验室内成功模拟不同类型的岩爆:巷道应变岩爆、巷道交叉点应变岩爆、3个临空面矿柱应变岩爆、矿柱应变岩爆以及动荷载诱发的冲击岩爆。最后,为有效控制岩爆灾害,提出开挖补偿法,并研发具有负泊松比效应的宏观和微观NPR锚杆/索。工程实践证明,NPR锚杆/索能提供高预应力来补偿开挖造成的应力损失,同时具备良好的延展性和吸能效果,可为岩爆灾害的防治提供有效途径。

穿断层破碎带隧道围岩大变形控制双梯度注浆机制

近些年,中国西部大量深埋隧道工程因关键线路控制无法避让一些活动性断裂,常常在跨越断裂带范围内出现围岩大变形破坏现象,例如侵限、偏压、塌方、底鼓等灾害,严重影响隧道工程施工和运营的安全可持续发展。为了控制断层破碎带隧道围岩大变形,隧道工程设计者和建设者采用了多种控制方案,例如超前注浆、多层钢拱架被动支护、锚杆索主动支护等,但是都因断层破碎带围岩强度过低而出现超前注浆诱发围岩拉裂破碎、主动支护锚杆锚固力不足等现象。为解决上述难题,首先,提出一种增强穿断层破碎带隧道围岩强度的双梯度注浆技术,建立双梯度注浆概念模型,构建3种双梯度注浆模式;然后,确定特定工况下注浆材料粒径梯度与注浆压力梯度的适配条件;最后,通过理论分析、物理模型试验和现场试验,探索双梯度注浆机制及其控制效果。研究结果表明:1)随着开挖步序的增加,穿断层破碎带隧道拱肩变形最大,构造应力对围岩稳定性影响较大。2)在双梯度注浆作用下,浆液扩散效果良好,围岩未出现大面积脱落破坏,隧道周围岩体应力分布均匀。3)双梯度注浆形成了坚硬交叉浆脉骨架,达到了应力补偿效果,将围岩变形量从原来的3 100 mm控制到278 mm以内,实现了“零换拱、零侵限、零突涌”的目标。

深埋软岩巷道高预应力恒阻耦合支护技术及其应用

针对深埋软岩巷道揭煤段掘进过程中围岩变形控制的问题,以石垭口煤矿1790回风石门为背景开展研究。首先,依据现场工程地质调查与实测结果分析了巷道揭煤段变形破坏特征;其次,采用理论分析与数值模拟等综合研究手段,揭示了深埋软岩巷道揭煤段大变形破坏机理;第三,基于开挖补偿力学效应和NPR(negative Poisson's ratio)长、短锚索耦合控制机理,提出了以NPR长、短锚索为核心的高预应力恒阻耦合控制技术;最后,通过数值模拟的手段验证了该方案的合理性。研究结果表明:巷道存在围岩变形严重、支护结构破断失效和巷道维护成本高等特征;巷道失稳破坏的根源在于围岩强度低且破碎严重、原支护结构不耦合以及支护强度不足;本文提出全断面“NPR长、短锚索+底角注浆锚杆+反底拱”的控制方案与参数。现场工业性试验中,NPR支护段较普通支护段围岩变形减小300~500 mm,NPR锚索受力最终稳定为340 kN左右。高预应力恒阻耦合支护方案可有效控制深埋软岩巷道揭煤段围岩大变形,为揭煤段围岩安全稳定控制提供了新支护手段。

西南地区节理化薄层软岩隧道大变形力学机理及支护控制方法

针对西南山区高地应力软岩隧道支护结构破坏、围岩大变形等问题,以云南昌宁隧道为工程背景,分析了隧道围岩大变形破坏模式及力学机理,开展了软岩隧道NPR锚索应力补偿支护技术应用研究工作。首先采用现场勘查和室内试验的方法,对隧道地质条件及破坏成因进行分析;然后,研究了昌宁隧道影响围岩稳定性的主要控制因素和围岩破坏模式,提出了以NPR锚索为核心的应力补偿支护技术;最后,通过现场试验分析了NPR锚网耦合支护条件下昌宁隧道围岩控制效果。结果表明:岩层挤压弯折和层间剪切滑移是昌宁隧道围岩破坏的主要模式;以NPR锚索为核心的应力补偿支护技术能有效控制隧道围岩初期支护大变形,隧道围岩最大变形量从2150 mm降低到100 mm以内,效果显著。研究成果可为软岩隧道大变形的防治提供参考。

深埋隧道灾变防控方法

针对深埋隧道工程建设所面临的软岩大变形、岩爆、活动性断裂带、高温高湿以及隧道进出口高边坡5大主要工程问题,首先提出了一种新的适用于深埋隧道围岩大变形的支护理论——开挖补偿法,并研发了深埋隧道灾变防控核心材料——NPR锚杆/索。然后,针对性地提出了深埋隧道不同工程问题的防控对策和建议,主要包括软岩大变形隧道NPR锚网索高预紧力补偿技术、岩爆隧道能量吸收补偿技术、活动性断裂带隧道双梯度注浆强度补偿技术和NPR锚网索桁架耦合支护技术、高温高湿隧道双隔双控技术以及隧道进出口高边坡NPR锚索防治-加固-监测-预警一体化双补偿控制技术。最后,结合具体的实际工程,对深埋隧道的灾变防控应用效果进行说明,以期为未来深埋隧道工程防灾减灾提供参考和依据。