超大跨扁平地下洞室围岩分级方法探讨

为解决20~70 m超大跨洞室围岩分级难题,提出在初步分级阶段采用面积加权平均法确定围岩基本质量指标、在详细分级阶段增加跨度影响修正系数的超大跨扁平洞室围岩分级方法,跨度影响修正系数值根据洞室稳定系数与围岩基本质量指标和洞室跨度之间的关系来确定。采用三维数值模拟和强度折减法,通过模拟洞室的开挖全过程,计算Ⅰ—Ⅳ级围岩中20~70 m跨度洞室的稳定系数,分析得出洞室稳定系数与围岩基本质量指标和跨度之间的经验公式。结果表明:1)当跨度由20 m增大至70 m后,洞室稳定系数减小了46.54%~50.67%;2)当洞室跨度相同时,围岩基本质量指标越小,洞室稳定性越差。定义跨度影响修正系数为洞室稳定系数偏离基准跨度(20 m)洞室稳定系数的相对偏离度与基准跨度洞室稳定系数级差的比值。跨度影响修正系数取值范围为0~1.0,跨度增大对围岩稳定性的最不利影响相当于围岩级别降低1级。

超大跨度扁平地下洞室变形控制标准研究

为解决目前超大跨度扁平地下洞室(跨度大于50 m)变形控制尚无明确规范的问题,基于某工程实例,采用理论解析与数值模拟相结合的方法,对大跨洞室变形控制标准进行研究。以围岩应变作为岩体强度指标评判大跨洞室稳定性,建立洞室拱顶沉降量S与围岩极限应变ε的关系,并提出以"沉降跨度比"作为大跨洞室沉降变形控制指标,给出适用于各施工阶段的变形控制标准,并建立变形控制标准分级管理办法。研究结果表明:1)大跨洞室沉降变形允许值与洞室几何形状、围岩强度特性相关;2)结合本工程大跨洞室"分部开挖-预留岩柱"的开挖方案,洞室变形主要发生在大跨洞室阶段。

基于过程荷载的超大跨扁平地下洞室围岩压力计算研究

60 m级跨度的扁平地下洞室围岩压力计算,超出了已有计算方法的适用范围。文章对比分析了采用已有的公式计算超大跨扁平地下洞室围岩压力荷载值及其影响因素,最终以普氏公式为基础,结合过程荷载的理念及施工方法,把超大跨的横断面离散成若干小跨洞室,最后得出考虑施工过程的超大跨扁平地下洞室围岩压力荷载值。用有限差分软件进行三维数值模拟,得到了拱顶沉降随开挖面推进的关系、地表沉降范围及其最大值随开挖面推进的变化关系。以0.00025的竖向应变作为临界应变得出洞室顶部围岩的松动范围,即求得松动围岩压力荷载值。对比分析三种方法(一次开挖,过程荷载,数值计算)的计算结果可知,直接将已有的经验公式应用于文章的研究对象得出的围岩压力值大于过程荷载值和数值计算结果,而数值计算结果和过程荷载值相近。因此,把过程荷载用于超大跨扁平地下洞室围岩压力计算具有一定的实际工程意义。

超大跨扁平地下洞库锚喷支护受力特征研究

针对巨跨超扁平洞库围岩荷载分布的复杂性和施工的困难性,为填补国内远超50 m级巨跨超扁平洞库修造技术的空白,提升对支护结构和围岩受力特征的认知,依托巨跨洞库工程展开了巨跨超扁平地下洞库开挖过程中支护技术的研究。通过对巨跨洞库锚喷支护进行数值模拟,得到不同支护结构的受力情况,并对不同支护结构的支护效果进行对比分析。结果表明:1)在开挖过程中,系统锚杆轴力和喷射混凝土结构内力总体较小,相比之下锚索的拉力较大;2)在拆除两侧岩柱时,锚索拉力增幅较大;3)锚索轴力监测数据和数值模拟的变化趋势相同,验证了数值模拟计算结果的合理性。因此,可以认为在整个施工过程中,锚索对围岩稳定起主要支护作用。

不同地应力特征下超大跨扁平地下洞室水平地震响应分析

超大跨扁平地下洞室建设难度大、力学作用复杂,其地震响应研究目前尚处于探索阶段。为揭示超大跨地下洞室地震响应机制,依托国内某超大跨扁平洞室工程,采用动力时程法进行不同侧压力系数的洞室塑性区、Mises应力及位移的水平向地震响应分析。结果表明:地震作用下,围岩塑性区及塑性应变最大值均显著增加;静水压力条件下,围岩静力及地震围岩塑性应变均为最小;侧压力系数λ<1时,洞室拱顶、底板中、拱脚及侧墙底部Mises应力均增加,且拱顶、底板中应力增长幅度小于拱脚及侧墙底部应力增长幅度;侧压力系数λ≥1时,水平向地震作用下洞室拱顶、底板中与静力工况相比应力基本无变化;随着侧压力系数的增加,洞室拱顶底板中水平相对位移逐渐减小,当侧压力系数λ≥1时,水平相对位移基本保持稳定。

巨跨超扁平地下洞库建设方法及实践

为探讨巨跨超扁平地下洞库勘察设计和施工运营过程中的关键技术难题,采用文献调研、理论分析和实践验证相结合的方法,对巨跨超扁平洞库洞室稳定机制、关键性地质参数及其评价体系、定量化设计方法、施工工艺工法以及监控技术进行研究。得出:1)通过及时、主动的支护体系有序调整围岩承载力是巨跨超扁平地下洞库成洞的关键。2)巨跨超扁平地下洞库围岩稳定性评价方法必须考虑尺寸效应,结构面产状、地应力、跨度、高跨比、摩擦角是影响围岩稳定性的显著因素。3)喷+锚+网柔性支护体系是合适的,宜采用“以数值计算为主,类似大跨经验为参考,施工监测动态反馈调整”相结合的综合设计方法。4)采用预留双岩柱支撑开挖方法是合理的。5)应采用多种手段对结构及围岩应力场和位移场进行监控量测,可采用“以收敛和沉降指标为主,围岩内部位移指标相结合”的综合判断方法,评判施工及运营过程中围岩的稳定性和结构的安全性。

天池抽水蓄能电站地下洞室群爆破方案比选

河南省天池抽水蓄能电站地下洞室群光面爆破中频繁出现炸药能量利用率低、爆破后轮廓面平整度差、围岩损伤及超欠挖现象严重等问题,为了提高洞室群光面爆破效果,优化光面爆破方案及爆破参数设计。针对天池抽水蓄能电站尾水洞的爆破开挖,采取施工现场试验手段,分别监测常规光面爆破、水压光面爆破和聚能水压光面爆破产生的爆破振动,并对各爆破方式现场爆破效果进行观测,分析不同爆破工艺的参数对现场爆破效果的影响,对方案进行比选、优化。研究结果表明:与常规光面爆破相比,水压光面爆破和聚能水压光面爆破效果更佳,且采用聚能水压光面爆破产生的半孔率最高,其也能进一步提高隧道轮廓平整度、解决炸药能量无法充分利用而导致原材料浪费降低对周边围岩的损伤等问题。研究成果可为类似水利水电工程地下厂房洞室群爆破的设计与优选提供借鉴。

超大跨度扁平地下洞室三维围岩压力荷载计算

国内外修建了越来越多超大跨度扁平地下洞室,然而关于其围岩压力荷载计算方面的研究内容较少且缺少相应规范。本文基于过程荷载理念并结合《公路隧道设计规范》提出三维过程荷载计算方法,该公式引入影响系数α_(i)(x)和β(y),分别反映了施工过程引起围岩压力荷载在横断面内非均布和沿洞室轴线方向变化特征,通过数值计算确定α_(i)(x)和β(y),该计算方法能得到每一个开挖状态下的荷载值,真正体现了超大跨扁平洞室围岩压力荷载过程性特点。以Ⅳ级围岩,埋深200m,跨度68m,高度18m,矢跨比0.26的超大跨扁平洞室为例应用三维过程荷载计算方法,对同类型工程的设计及施工具有借鉴意义。

基于Fluent的扁平硐室采场粉尘浓度分布及运移规律研究

基于气固两相流理论及扁平型硐室采场特点,建立粉尘运移模型,运用FLUENT软件中的k-ε双方程模型和离散相模型(DPM)对采场爆破后通风20min内粉尘浓度变化,以及在不同入口风速下粉尘的运动轨迹进行了数值模拟。结果显示粉尘浓度分布受风流流场影响显著,爆破0～50s时间内粉尘受回流作用聚集在硐室左侧隅角及边壁附近,50s之后粉尘开始由主风流带出硐室,60s后开始进入循环净排阶段,在0～70s内粉尘浓度下降最快,70s以后采场内的粉尘主要是呼吸性粉尘,沉降时间较长。对粉尘运移的数值模拟显示,不同入口风速对粉尘的运移影响明显。

大跨度扁平隧洞围岩松动圈数值模拟研究

从隧洞松动圈扩展规律的研究角度出发,采用FLAC 2D软件对四种不同跨度的扁平隧洞进行了变埋深整体式开挖的数值模拟,以极限拉应变准则作为围岩松动圈的判断标准,进行了相应的松动圈扩展规律分析。研究结果表明:(1)四种不同跨度洞室松动圈主要分布在拱部围岩,侧壁没有明显松动,当跨度增加到68 m时,松动圈增幅明显增加;(2)随着隧洞埋深的增加,松动圈的范围呈现先增加后减小再增加的趋势;(3)隧洞跨度的增加,扁平化程度的加剧,导致松动圈减小阶段出现所需的埋深条件增加。四种不同跨度隧洞具有不同的最佳埋置深度,可为实际工程的设计施工提供参考。