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Three-dimensional stress variation characteristics in deep hard rock of CJPL-Ⅱ project based on in-situ monitoring

International Journal of Mining Science and Technology 2024年第2期34卷 179-195页

作者： minzong zheng Shaojun Li Zejie Feng Huaisheng Xu Yaxun Xiao State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering Institute of Rock and Soil MechanicsChinese Academy of SciencesWuhan 430071China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China

In deep hard rock excavation, stress plays a pivotal role in inducing stress-controlled failure. While the impact of excavation-induced stress disturbance on rock failure and tunnel stability has undergone comprehensive examination through laboratory tests and numerical simulations, its validation through insitu stress tests remains unexplored. This study analyzes the three-dimensional stress changes in the surrounding rock at various depths, monitored during the excavation of B2 Lab in China Jinping Underground Laboratory Phase Ⅱ(CJPL-Ⅱ). The investigation delves into the three-dimensional stress variation characteristics in deep hard rock, encompassing stress components and principal stress. The results indicate changes in both the magnitude and direction of the principal stress during tunnel excavation. To quantitatively describe the degree of stress disturbance, a series of stress evaluation indexes are established based on the distances between stress tensors, including the stress disturbance index(SDI), the principal stress magnitude disturbance index(SDIm), and the principal stress direction disturbance index(SDId). The SDI indicates the greatest stress disturbance in the surrounding rock is 4.5 m from the tunnel wall in B2 Lab. SDIm shows that the principal stress magnitude disturbance peaks at2.5 m from the tunnel wall. SDId reveals that the largest change in principal stress direction does not necessarily occur near the tunnel wall but at a specific depth from it. The established relationship between SDI and the depth of the excavation damaged zone(EDZ) can serve as a criterion for determining the depth of the EDZ in deep hard rock engineering. Additionally, it provides a reference for future construction and support considerations.

关键词： Disturbance stress Tensor distance Stress disturbance index Principal stress direction Underground research laboratory

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Probabilistic analysis of tunnel displacements based on correlative recognition of rock mass parameters

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Geoscience Frontiers 2021年第4期12卷 46-60页

作者： minzong zheng Shaojun Li Hongbo Zhao Xiang Huang Shili Qiu State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering Institute of Rock and Soil MechanicsChinese Academy of SciencesWuhanHubei 430071China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China School of Civil and Architectural Engineering Shandong University of TechnologyZiboShandong 255000China

Displacement is vital in the evaluations of tunnel excavation processes,as well as in determining the postexcavation stability of surrounding rock *** prediction of tunnel displacement is a complex problem because of the uncertainties of rock mass ***,the variation and the correlation relationship of geotechnical material properties have been gradually recognized by researchers in recent *** this paper,a novel probabilistic method is proposed to estimate the uncertainties of rock mass properties and tunnel displacement,which integrated multivariate distribution function and a relevance vector machine(RVM).The multivariate distribution function is used to establish the probability model of related random *** is coupled with the numerical simulation methods to construct the nonlinear relationship between tunnel displacements and rock mass parameters,which avoided a large number of numerical ***,the residual rock mass parameters are taken into account to reflect the brittleness of deeply buried rock ***,based on the proposed method,the uncertainty of displacement in a deep tunnel of CJPL-II laboratory are analyzed and compared with the in-situ *** is found that the predicted tunnel displacements by the RVM model closely match with the measured *** correlations of parameters have significant impacts on the uncertainty *** uncertainty of tunnel displacement decreases while the reliability of the tunnel increases with the increases of the negative correlations among rock mass *** compared to the deterministic method,the proposed approach is more rational and scientific,and also conformed to rock engineering practices.

关键词： Uncertainties Correlation Displacement Multivariate distributions Relevance vector machine

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Inverting the rock mass P-wave velocity field ahead of deep buried tunnel face while borehole drilling

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International Journal of Mining Science and Technology 2024年第5期34卷 681-697页

作者： Liu Liu Shaojun Li minzong zheng Dong Wang Minghao Chen Junbo Zhou Tingzhou Yan Zhenming Shi State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering Institute of Rock and Soil MechanicsChinese Academy of SciencesWuhan 430071China China Railway Eryuan Engineering Group CO. LTD.Chengdu 610031China Department of Hydraulic and Hydropower Engineering Tsinghua UniversityBeijing 100084China Hubei Communications Planning and Design Institute CO. LTD.Wuhan 430051China Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education Tongji UniversityShanghai 200092China

Imaging the wave velocity field surrounding a borehole while drilling is a promising and urgently needed approach for extending the exploration range of the borehole *** paper develops a drilling process detection(DPD)system consisting of a multifunctional sensor and a pilot geophone installed at the top of the drilling rod,geophones at the tunnel face,a laser rangefinder,and an onsite computer.A weighted adjoint-state first arrival travel time tomography method is used to invert the P-wave velocity field of rock mass while borehole drilling.A field experiment in the ongoing construction of a deep buried tunnel in southwestern China demonstrated the DPD system and the tomography ***-frequency analysis of typical borehole drilling detection data shows that the impact drilling source is a pulse-like seismic exploration wavelet.A velocity field of the rock mass in a triangular area defined by the borehole trajectory and geophone receiving line can be *** the borehole core and optical image validate the inverted P-wave velocity field.A numerical simulation of a checkerboard benchmark model is used to test the tomography *** rapid convergence of the misfits and consistent agreement between the inverted and observed travel times validate the P-wave velocity imaging.

关键词： Deep buried tunnel Wave velocity field Borehole drilling Tomography Rock mass

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基于光纤光栅的深部硬岩隧洞三维扰动应力测试系统研制及工程应用

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岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 261-274页

作者：李邵军郑民总中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

扰动应力及其演化是深埋隧洞围岩稳定性及灾变的最重要因素,目前对硬质围岩三维扰动应力的研究局限于解析解和数值模拟,缺乏可靠的原位测试技术与装备。考虑深部硬岩隧洞工程复杂地质环境,系统分析扰动应力的测试原理和理论基础,研发基... 详细信息

扰动应力及其演化是深埋隧洞围岩稳定性及灾变的最重要因素,目前对硬质围岩三维扰动应力的研究局限于解析解和数值模拟,缺乏可靠的原位测试技术与装备。考虑深部硬岩隧洞工程复杂地质环境,系统分析扰动应力的测试原理和理论基础,研发基于光纤光栅与空心包体的扰动应力综合传感技术,研制三维扰动应力单孔多点分布式原位测试系统;通过密封油压高精度标定设备,实现对空心包体单元光栅和传感器装置的整体精确标定,结合室内混凝土模型试验,验证了应力测试系统的准确性。以锦屏地下实验室二期隧洞工程为依托,开展扰动应力现场测试,首次原位测试获得深部硬岩隧洞开挖过程中不同深度的三维扰动应力变化,系统分析扰动应力大小、方向的演化特征、规律及其与施工活动的关系,并进一步验证光纤光栅空心包体应力测试系统的工程适用性和可靠性。研究成果为深部硬岩工程扰动应力测试和演化特性研究提供了科学方法和技术支撑。

关键词：地下工程深部硬岩隧洞三维扰动应力光纤光栅原位测试

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基于张量距离的深埋隧洞围岩应力扰动指标及特征分析

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岩石力学与工程学报 2023年第S01期42卷 3447-3457页

作者：郑民总李邵军冯泽杰曾志薛涛中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 清华大学工程物理系北京100084

针对目前深埋隧洞开挖过程中应力扰动程度难以表征,尤其是主应力方向改变难以量化的问题,基于应力张量间距离建立应力扰动度指标(SDI),可以定量描述主应力大小和方向的改变。依托加拿大Mine-by深部地下实验室工程和锦屏地下实验室二期(C... 详细信息

针对目前深埋隧洞开挖过程中应力扰动程度难以表征,尤其是主应力方向改变难以量化的问题,基于应力张量间距离建立应力扰动度指标(SDI),可以定量描述主应力大小和方向的改变。依托加拿大Mine-by深部地下实验室工程和锦屏地下实验室二期(CJPL-II)工程,研究隧洞分步开挖时主应力及其应力扰动度指标的变化特征。结果表明,隧洞开挖过程中,轴向不同位置处应力受扰动度与掌子面位置有关,具有明显的空间分布特征,应力仅在掌子面影响区域内受扰动剧烈。沿隧洞径向方向应力扰动度从洞壁到围岩深部逐渐降低,当掌子面开挖接近监测断面时,应力扰动深度逐渐增大,随着掌子面远离,扰动深度逐渐减小。洞壁处SDI最大,但主应力方向扰动度则不一定最大,峰值位置随掌子面位置变化。扰动度指标物理意义明确,合理地描述隧洞开挖时主应力大小和方向的改变,并且主应力大小和方向的扰动度指标量纲一致,可方便地进行比较。该研究可以为深部地下工程中的围岩稳定性分析和支护设计提供量化的应力扰动评价指标。

关键词：岩石力学深埋隧洞围岩应力应力扰动指标主应力方向张量距离

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基于位移和松弛深度的岩体参数概率反分析方法

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岩石力学与工程学报 2019年第9期38卷 1884-1894页

作者：孙钱程李邵军赵洪波郑民总杨支跃三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 河南理工大学土木工程学院河南焦作454000 中国三峡建设管理有限公司四川成都610041

鉴于目前工程中含多目标变量多参数输出的概率反分析方法匮乏,在改进多输出支持向量机算法(MSVM)的基础上,建立基于贝叶斯理论(Bayes)的概率反分析方法(B-MSVM方法)。该方法通过改进支持向量机算法形成多个岩体参数与多目标变量之间的... 详细信息

鉴于目前工程中含多目标变量多参数输出的概率反分析方法匮乏,在改进多输出支持向量机算法(MSVM)的基础上,建立基于贝叶斯理论(Bayes)的概率反分析方法(B-MSVM方法)。该方法通过改进支持向量机算法形成多个岩体参数与多目标变量之间的映射关系,以分步开挖引起的典型测点的松弛深度和表层变形监测信息为输入,以边坡岩体多个力学参数为待反分析输出,通过选择合适的核函数在改进的支持向量机算法中运算,获得多次开挖条件下待反分析参数的取值及其不确定性动态表征。应用该方法对白鹤滩水电站坝基边坡的力学参数进行反分析,得到10个非相关参数的取值及其不确定性分布,用反分析的参数值计算相应开挖步下边坡典型测点的位移和松弛深度,并与实测值进行对比,结果表明该方法的正确性,并初步讨论本方法在相关参数反分析计算中的应用思路。研究成果为岩土工程参数概率反分析方法的建立提供了思路,具有重要的理论意义和工程实用价值。

关键词：岩石力学白鹤滩水电站岩质边坡松弛深度支持向量机贝叶斯理论概率反分析

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考虑不确定性的隧道工程稳定性分析与可靠性优化设计

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安全与环境工程 2024年第3期31卷 103-109页

作者：梁志强郑民总李剑朱尚明中国水利水电第十四工程局有限公司云南昆明650041 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 湖北省交通规划设计院股份有限公司湖北武汉430051

不确定性是岩石工程的一个重要特性,对岩石工程的稳定分析、设计与安全施工具有重要影响,而传统的确定性分析与优化设计方法不能考虑岩石工程的不确定性。针对隧道工程中的不确定性,将可靠性理论、实验设计、数值模拟与响应面等方法有... 详细信息

不确定性是岩石工程的一个重要特性,对岩石工程的稳定分析、设计与安全施工具有重要影响,而传统的确定性分析与优化设计方法不能考虑岩石工程的不确定性。针对隧道工程中的不确定性,将可靠性理论、实验设计、数值模拟与响应面等方法有机结合,提出一种考虑不确定性的隧道工程稳定性分析与可靠性优化设计方法。该方法通过建立考虑不确定性的隧道工程稳定性分析模型,在此基础上结合可靠性优化设计,建立了考虑不确定性的隧道工程优化设计方法,并将提出的方法结合隧道工程算例进行了分析。结果表明,该方法对隧道工程设计、稳定性分析以及风险分析具有显著指导意义,为隧道工程的不确定性分析提供了一条有效的途径。

关键词：隧道工程不确定性稳定性分析可靠性优化设计

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基于钻孔变形法的无线地应力测量系统及测试分析

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岩石力学与工程学报 2021年第S01期40卷 2841-2850页

作者：李邵军郑民总瞿定军匡智浩王国均邱士利中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 湖北宜化集团矿业有限责任公司湖北宜昌443000

随着电子技术的发展,各种不同的地应力测试设备也在逐渐往无线测量方向发展。设计基于钻孔变形法原理的无线地应力测量变形计,研发具备自动测量及采集数据的数字集成系统,并详细介绍该变形计的组成结构、测试原理、测量方法及标定验证... 详细信息

随着电子技术的发展,各种不同的地应力测试设备也在逐渐往无线测量方向发展。设计基于钻孔变形法原理的无线地应力测量变形计,研发具备自动测量及采集数据的数字集成系统,并详细介绍该变形计的组成结构、测试原理、测量方法及标定验证。利用卡尔逊变形计标定台对变形计的钢环应变传感器进行标定,得到每个钢环变形时电压信号与钢环变形的Q值关系,结果显示,测量时钢环电压变化与钢环变形之间有良好的线性重复关系,单个钢环的分辨率可达0.025μm,测量精度提高约3倍;用铝质立方体及花岗岩试样进行探头整体标定试验,结果显示,变形计测量误差小于5%,绝对误差小于0.6 MPa,说明变形计测量结果测量准确,可以满足现场使用要求。地应力测量变形计的无线设计为深孔地应力的测量提供一条新途径,并且可以实现对套芯应力解除全过程中测量数据的连续读取,克服人工测读仅获得有限离散数据而导致测试精度不足的缺陷。

关键词：岩石力学地应力套芯应力解除法深孔孔径变形法

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中国锦屏地下实验室开挖隧洞灾变特征与长期原位力学响应分析

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清华大学学报（自然科学版） 2021年第8期61卷 842-852页

作者：李邵军郑民总邱士利姚志宾肖亚勋周济芳潘鹏志中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071 中国科学院大学北京100049 东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室沈阳110819 雅砻江流域水电开发有限公司成都610051

深埋高应力隧洞建设过程中潜在岩爆、片帮、塌方等工程灾害。中国锦屏地下实验室二期(CJPL-II)是目前世界上埋深最大的实验室(2 400 m),在隧洞群建设过程中开展了变形、应力、微震等系统的综合原位监测和力学响应数值模拟,该文系统分析... 详细信息

深埋高应力隧洞建设过程中潜在岩爆、片帮、塌方等工程灾害。中国锦屏地下实验室二期(CJPL-II)是目前世界上埋深最大的实验室(2 400 m),在隧洞群建设过程中开展了变形、应力、微震等系统的综合原位监测和力学响应数值模拟,该文系统分析了隧洞灾变特征与长期原位力学响应,研究结果表明:隧洞围岩变形以1#实验室和4#实验室北侧边墙较大,最大变形达83.7 mm,岩体锚杆应力最大为530 MPa,开挖完成后3个月,岩体变形趋于稳定;基于岩体声波和钻孔摄像揭示的围岩松弛深度范围总体约为0.8~3.5 m;围岩随开挖内部破裂演化,存在分区现象,强度较高且完整的岩体,破裂区范围较小,强度较低且完整性较差的岩体,破裂区范围较大;各实验室开挖时的微震在完整岩体隧洞和断层附近区域更为活跃,各隧洞强弱顺序依次为:8#、7#、4#、3#、5#、6#、1#、2#、9#,已完成开挖后的各洞室微震活动性逐渐趋于平静;基于CASRock软件分析表明:实验室开挖卸荷后南侧拱肩和边墙应力高、松弛深度较大,是高风险区。研究成果为实验室灾害预警、稳定性评估、动态设计及长期安全运营提供了直接支撑,也将为相似地质条件的高应力深埋隧洞安全建设提供借鉴。

关键词：锦屏地下实验室深埋隧洞原位力学响应长期监测 CASRock

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深部磷矿山安全开采地压监测与时空演化特征分析

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安全与环境工程 2022年第4期29卷 110-118,204页

作者：李邵军丰光亮瞿定军郑民总陈翔朱宗俊中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 湖北宜化集团矿业有限责任公司湖北宜昌443000 湖北杉树垭矿业有限公司湖北宜昌443100

地压灾害是深部磷矿山安全和绿色开采面临的关键挑战。依托湖北杉树垭地下磷矿山,建立了深部磷矿山开采地压应力-微震原位综合监测系统,开展了磷矿山地压监测及分析技术研究,并结合数值模拟计算,研究了地下磷矿山深部开采过程中地压的... 详细信息

地压灾害是深部磷矿山安全和绿色开采面临的关键挑战。依托湖北杉树垭地下磷矿山,建立了深部磷矿山开采地压应力-微震原位综合监测系统,开展了磷矿山地压监测及分析技术研究,并结合数值模拟计算,研究了地下磷矿山深部开采过程中地压的响应特性。结果表明:矿区监测区域开采过程中围岩的最大主应力增加约4~10 MPa,围岩扰动应力随着开采时间呈增大趋势,但围岩扰动应力调整幅度逐渐降低;微震活动略显活跃且随时间呈现波动变化,并以小能量微震事件为主,顶板破坏与微震活动两者具有较好的空间一致性,说明地下磷矿山深部开采地压微震监测可行;三维围岩扰动应力全过程数值模拟结果大于原位测试数据,综合测试结果表明目前矿区地压扰动尚处于安全范围内。该研究成果对湖北杉树垭磷矿安全高效开采以及我国深部资源的安全开发具有重要意义。

关键词：深部磷矿山地压监测扰动应力微震监测

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