深部高地应力下岩石力学行为研究进展

越来越多的煤矿和金属矿进入深部开采.随着开采深度的增加,一系列工程灾害如岩爆、煤与瓦斯突出、顶板垮落、底板突水等日益严重,且深部开采中巷道与采场的维护理论也与浅部有十分明显的区别.人们认识到这种差别的根源在于岩石所处的赋存环境上的差异,深部与浅部在赋存环境上的差别是所谓"三高"即高地应力、高地温和高孔隙水压,尤其是高地应力条件下岩石表现出十分特殊的力学行为.简要介绍了深部开采现状、深部开采面临的技术难题以及深部岩体所处的高地应力环境,在此基础上,综述了深部高地应力条件下有关岩石力学性质的研究进展,包括高应力条件下岩石的脆-延转化特性、岩石的流变特性、岩石的强度特征、岩石的破坏特征尤其是岩爆等.文章最后指出深部条件下热-水-力耦合模型是一个值得关注的研究方向.

高地应力条件下地下厂房洞室群围岩的变形破坏特征及对策研究

依据官地水电站大型地下厂房洞室群地应力高、围岩坚硬、结构面发育等特点,在地应力特征、围岩结构特征分析的基础上,结合围岩变形监测成果和三维数值仿真分析成果,对洞室围岩变形破坏特征进行归纳总结,并系统提出高地应力条件下地下厂房洞室群的布置设计、开挖支护设计和施工对策。建议高地应力条件下,洞室纵轴线的选择应兼顾最大主应力方位和围岩主要结构面、采用较大的洞室间距和较大的顶拱矢跨比、采用合理的开挖方式和开挖顺序、适当提高喷混凝土强度等级、延时浇筑岩壁吊车梁和母线洞衬砌、合理确定锚索张拉力锁定值,对具备岩爆条件的洞室围岩先初喷50～60 mm厚的钢纤维混凝土后再实施系统锚杆和挂网喷混凝土层到设计厚度等。上述建议对于高地应力条件下类似地下厂房洞室群的设计与施工具有重要的指导意义和应用价值。

高地应力下大型地下洞室群开挖顺序与支护参数组合优化的智能方法

针对高地应力下围岩变形破坏的特殊性以及大型地下洞室群开挖支护优化计算量大的特点,在三维弹塑性数值计算的基础上,采用反映高地应力下脆性岩石变形破坏特点的新本构模型,提出基于弹性释放能、塑性区体积、洞室周边位移与支护费用的地下洞室群开挖顺序与支护参数组合方案的综合优化新指标,综合集成粒子群与支持向量机的智能技术,提出高地应力下地下洞室群开挖顺序与支护参数的智能优化新方法。该方法通过典型施工方案的数值计算构建学习样本,采用支持向量机方法对样本进行学习与预测,建立起施工方案与综合优化指标之间的非线性映射关系,在具有一定约束条件的全局空间下,通过粒子群优化算法搜索出开挖顺序与支护参数的全局最优组合方案。将该方法应用于高地应力区黄河拉西瓦水电站地下厂房洞室群的开挖顺序和支护参数优化分析,结果表明该方法的可行性。

高地应力条件下大型地下洞室群稳定性综合研究

从认识论的角度提出数值仿真技术服务于地下工程实践的PFP分析方法,并随拉西瓦水电站地下厂房工程开挖进度分3个阶段对洞群围岩稳定性进行系统地分析和预测。研究成果表明:在高地应力硬岩洞室群开挖过程中,不同部位围岩位移具有明显的空间差异性和时间渐变性;岩体中应力表现出一定的波动性、转移性;多洞室交叉使得围岩松弛区域具有一定的特殊性;围岩破损模式和深度也具有区域差异性等。其成果为洞室开挖与围岩支护改进提供了科学依据,也被实际洞室开挖过程揭示的变形规律和围岩开裂、掉块等破坏模式所证实。这些高地应力下硬岩力学行为规律对其他类似地下工程围岩稳定性研究也具有较好的借鉴意义。

深部岩石工程力学特性及地应力测试研究综述

伴随中西部高山峡谷区水电及交通等工程的建设,与之相关的地下工程多呈现出超长、大埋深、高地应力、高外水压等特点,由此引发对深部岩石工程的岩石力学特性及地应力测试等科学问题的重视。简要综述了深部岩石试验技术、高应力复杂应力路径下的岩石力学特性、深部岩石的流变特征、深部围岩的质量分级与评价、地应力测试与分析等方面在过去10余年的进展,并对上述科学问题及后续研究重点进行了展望。

用灰色局势决策法优选高地应力下大型地下洞室拱形

以某高地应力洞区岩体地质资料为依托,用弹塑性有限元分析在高地应力下大型地下3种洞室拱形(即单心圆拱、三心圆拱和椭圆拱)对拱部围岩应力的影响,计算结果表明,这种影响是非常明显的,有的应力集中系数达到3.33。无论采用何种拱形,均避不开拱座附近应力集中现象。利用围岩塑性区和应力集中系数组建灰色局势决策,并计算出各自的灰色效果测度值,依据灰色效果测度值可综合评判出,无论初始地应力侧压系数是多少,对洞室拱形而言,椭圆是最优的,其次是三心圆。

旭龙水电站地下厂房主要工程地质问题分析

通过分析潜在工程地质问题,为旭龙水电站地下厂房围岩支护设计提供地质依据,应用现场调查、室内外试验和三维数值模拟相结合的方法,对地下厂房围岩稳定问题及相应机理进行了深入分析。结果表明:围岩以花岗岩等硬岩为主,岩石类别主要为Ⅱ类,少量Ⅲ类。潜在工程地质问题主要包括不稳定块体、缓倾角结构面、小夹角长大结构面、局部高地应力、洞室涌水等,可能引起局部围岩片帮、掉块、崩落或塌方等变形破坏;大方量不稳定块体可能导致部分洞段整体失稳;洞室涌水会降低局部围岩稳定性,不利于施工。研究成果明确了旭龙水电站地下厂房主要工程地质问题,为围岩开挖和支护设计提供了理论支持。

高地应力硬岩大型洞室群围岩变形破坏与岩石强度应力比关系研究

岩石强度应力比是表征围岩稳定性的重要指标之一。研究围岩变形破坏与强度应力比的关系,揭示二者间的规律性联系,对高地应力硬岩大型地下洞室群围岩稳定性控制具有重要意义。以具典型高地应力特点的锦屏一级水电站和猴子岩水电站2个硬岩大型洞室群为研究对象,首先系统梳理了2个工程的围岩岩性、岩石强度和初始地应力等工程地质条件,并详细统计了洞室群施工期围岩破坏类型和数量;通过对地下洞室群围岩的岩石强度应力比进行分区,并结合围岩140多个破坏现象和发生部位,建立了高地应力硬岩大型洞室群围岩变形破坏与岩石强度应力比之间的联系;采用不同的初始地应力分级标准,并结合洞室群围岩破坏特征,验证了基于强度应力比修正的地应力分级标准对高地应力硬岩洞室群的适用性,揭示了围岩应力诱导型破坏随岩石强度应力比的变化规律。研究成果有助于今后高地应力条件下硬岩大型地下洞室群施工期围岩破坏类型预测,并为提出具有针对性的施工期围岩稳定控制措施提供参考。

高地应力条件下地下交叉洞室开挖施工技术应用

随着能源和水资源的不断开发,水电工程的发电引水系统大多采用埋藏式地下洞群结构且处于高山峡谷的环境中。施工过程中时常受到高地应力的影响,安全风险较大。文章通过高低应力条件下地下交叉洞室开挖施工技术的应用,减小安全隐患,为类似在高地应力条件下地下交叉洞室开挖的设计、施工提供借鉴经验。

《高地应力隧道稳定性及岩爆、大变形灾害防治》一书出版

高地应力隧道稳定性及其灾害防治问题已成为我国重大工程建设中亟待解决的重大技术难题。李天斌、孟陆波、王兰生所著的《高地应力隧道稳定性及岩爆、大变形灾害防治》一书2016年由科学出版社出版发行。该书针对高地应力隧道减灾防灾的重大国家需求,

基于松动圈–位移增量监测信息的高地应力下洞室群岩体力学参数的智能反分析

考虑到高地应力下洞群围岩力学行为独特性和深部地下工程研究需要,提出大型洞室群岩体参数的智能反演新方法。该方法是采用弹脆塑性本构CWFS模型,以分步开挖引起的松动圈和位移增量监测信息为输入,首先通过参数敏感性分析确定待反演的参数,再建立位移增量–松动圈深度的联合适应度函数,用进化神经网络–遗传算法求得待反演参数的数值,并进行后续开挖引起的位移演化的灰色关联度分析和松动圈的实测值与计算值对比对反演结果进行检验的反分析方法。用该方法对具有高地应力特征的拉西瓦水电站花岗岩地下洞室群围岩的力学参数进行了反演,通过地下洞室群的第2～6层开挖引起的位移增量和松动圈的测试值,反演求出相关5个岩体力学参数的值。用反演所得的参数值对第7步开挖引起的位移增量和松动圈变化进行计算分析,结果表明该方法的正确性。

极高地应力条件下深埋大型地下洞室群开挖支护对策研讨会在蓉召开

2019年1月9日,双江口项目部在成都组织召开地下厂房洞室群阶段性成果研讨会,会议由成都院副总工程师、双江口项目经理兼设总李永红主持,特邀专家宋胜武、肖平西、陈卫东和银登林等到会指导。科研协作单位项目负责人、勘测设计分公司水工处及地质处领导和相关设计人员参会。双江口水电站工程为一等大(1)型工程,电站装机容量2000MW,枢纽工程由拦河大坝、泄洪建筑物、引水发电系统等组成。地下厂房洞室群布置在左岸,由主厂房、主变室和尾水调压室三大主体洞室及数十条附属洞室组成,规模巨大。

地下水封石洞油库岩爆灾害预测评估——以某地下水封石洞油库实际工程为例

地下水封石洞油库属于大型地下工程,岩爆灾害是施工过程中可能引发的地质灾害之一。本文以某地下水封石洞油库实际为例,介绍了建设场地地质灾害危险性评估中岩爆灾害预测方法。借鉴目前国内外岩爆判别的主要方法,并依据拟建工程场地实际情况,选用岩体初始应力及岩石单轴抗压强度作为定量评估指标,对岩爆灾害进行预测评估。根据宏观分析与定量评价结合的方法最终确定岩爆灾害程度。

高地应力“强度&应力”耦合判据及其分级标准

众多地下工程建设始终处于高地应力环境中,岩体初始应力是地下工程围岩变形破坏的先天条件和主导因素。“高地应力”术语及概念出现和地下工程围岩特殊破坏现象紧密联系,属于工程概念范畴。随着地下工程数量越来越多并逐渐向深部发展,高地应力诱发的围岩破坏现象日益显著,严重影响工程稳定性。现有的高地应力定量分级判据多采用强度应力比值形式,没有充分考虑岩石强度、应力两个指标的绝对值大小和耦合关系。本文在讨论现有分级判据、收集实际工程案例数据以及分析高地应力破坏现象显现过程的基础上,提出了高地应力“强度&应力”耦合判据及其定量分级标准。高地应力“强度&应力”耦合判据的表现形式为3条考虑岩石饱和单轴抗压强度Rc以及和初始最大主应力σ1耦合的边界线,边界线以内的区域为高地应力区、边界线以外的区域为低地应力区。该判据特点是既考虑初始最大主应力、岩石饱和单轴抗压强度的绝对值边界条件,同时也考虑两者耦合区间。研究结果表明:基于二维尺度提出的“强度&应力”耦合判据,针对86个典型地下工程的高地应力判别结果和工程现场高地应力显现形式完全相符,可以在实际地下工程中推广应用。基于“强度&应力”耦合判据的高地应力区分级标准能较好地判别围岩破坏现象的剧烈程度,可为工程灾害的预防提供参考。

引汉济渭工程秦岭输水隧洞初始地应力场特征及反演分析

针对秦岭输水隧洞大埋深、高地应力容易引起岩爆、大变形等工程灾害的问题,为预防和减轻地应力分布和变化对施工进程和人员设备安全的不利影响,对秦岭隧洞隧址区典型位置(越岭段、岭南、岭北)分别进行了水压致裂法应力测试,并对无断层段和含断层段进行了三维地应力场反演分析,研究了秦岭隧洞初始地应力场特征及规律。结果表明:秦岭隧洞地应力表现出较强的水平构造应力作用,岭南岭北勘探试验最大主应力为25.4～27.7 MPa,垂直孔测得最大水平主应力方向稳定在近EW向。数值模拟可以较好地反演分析秦岭输水隧洞的地应力分布,无断层段隧洞最大主应力多为10～45 MPa,最小主应力多为0～15 MPa;含断层段隧洞主轴最大水平主应力值较高,变化范围为20.46～71.94 MPa,最高达71.94 MPa。由于断层破碎带的存在,附近区域会出现剧烈的应力变化,断层带以内应力值显著减小,而断层带两侧出现应力集中,局部应力值升高。

高阶地基座岩石风化特征及对铁道工程的影响

西安安康铁路和西安南京铁路均穿越秦岭山脉的复杂地质地区 ,本文结合工程实例揭示了高阶地基座岩石风化的隐蔽性和对隧道、路基、桥梁工程的影响 ,介绍了对应的各类工程处理措施 ,总结了河流高阶地基座岩石风化的共性 ,指出高阶地基座岩石风化受到岩石矿物组成、节理、地下水等因素共同影响 ,是山区铁路中一个极为隐蔽的地质问题 ,加强对其勘察设计的准确性和进行恰当的工程处理 。

全国地下工程超前地质预报与灾害治理学术及技术研讨会第1号通知(征文通知)

由中国岩石力学与工程学会主办的“全国地下工程超前地质预报与灾害治理学术及技术研讨会”将于2009年9月在青岛市召开。现发出会议的第1号征文通知。

预应力锚索在观音山岩石边坡开裂整治工程中的应用

目前,国外已较广泛应用预应力锚索加固、加高大坝、加固地下洞室的边墙、高陡边坡、桥墩、高压线铁塔和挡土墙等。60年代,我国开始采用这一技术,例如,1964年在梅山水库右岸坝基加固工程中,成功地应用了预应力锚索结构;以后在双牌水库的坝基、镜泊湖水电站进水口的上部边坡、碧口水电站的地下洞室及边坡、白山水电站坝体裂缝等工程中均曾采用预应力锚索进行加固。工程实践证明:预应力锚索是高陡岩质边坡。

金川矿区地应力场特征

从地质构造、显微构造、地壳形变场和震机制解等方面 ,探讨了金川矿区区域应力场特征及其力源 .地应力测量成果综合表明 ,金川矿区为一以水平残余构造应力为主的高地应力区 ,地应力场具有显著的不均匀性、各向异性 。

奠基岩石“封闭应力”假说的气体包裹体和膨胀能力

陈宗基先生在1979年提出了"封闭应力"假说,认为它是岩石工程灾害的原因。近年来,钱七虎院士和王思敬院士分别对"封闭应力"假说作了肯定的定性讨论。30多年过去了,这个"封闭应力"假说仅得到极其少的定量研究和发展。在本文中,我提出和试图论证流体包裹体是一种具体、实在、可测量和计算的应力包裹体。它在地质岩石与矿物中普遍存在。它有压强和体积膨胀能。它是一种封闭应力和内应变能的具体存在和作用形式。我给出了这个压强、体积膨胀能和封闭应力包裹体对围岩作用的计算公式和算例。这个包裹流体压强值与深部岩石高地应力场值相当。我进一步分析和讨论了,岩石微小、密封、压紧的流体包裹体应该是深部工程岩石开挖洞室或巷道出现的岩爆、冲击地压、矿震、洞壁劈裂、围岩分区破裂和巷道大变形的一个共同张性体积力源。我认为,这个地质岩石与矿物内紧压膨胀的流体包裹体封闭应力能够完整逻辑一致地、符合自然规律地解释人们所见到的、报道的、与这些深部工程灾害相关的所有事实。并且,它能将这些事实和现象合理地、随时间演变地联系和重塑起来。这种实在、可测试、可定量的封闭应力源和能源的提出和研究能为岩石力学工作者,更好地沿着老一辈岩石力学专家们指引的途径和思路,来建立新的地质岩石力学理论、方法和技术,以更加符合自然规律地解决岩石力学领域世界性难题的深部工程灾害问题。