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考虑施工期应力调整的浅埋地下厂房围岩破坏模式分类

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岩石力学与工程学报 2023年第6期42卷 1434-1449页

作者：陈治杨凡杰周辉周红波张传庆李志陈四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试验室湖北武汉430071 沈阳工业大学建筑与土木工程学院辽宁沈阳110870 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司湖南长沙410014 华能澜沧江水电股份有限公司云南昆明650214

围岩破坏模式研究对地下洞室群的安全施工与高效支护具有重要意义。地下厂房多采用分层开挖施工方式,在此过程中围岩体的应力状态随开挖的进行而不断调整,因此,研究施工期应力调整的地下厂房围岩破坏模式十分必要。首先通过广泛调研现... 详细信息

围岩破坏模式研究对地下洞室群的安全施工与高效支护具有重要意义。地下厂房多采用分层开挖施工方式,在此过程中围岩体的应力状态随开挖的进行而不断调整,因此,研究施工期应力调整的地下厂房围岩破坏模式十分必要。首先通过广泛调研现有地下工程的围岩破坏模式,归纳汇总了中低地应力水平围岩破坏模式分类;然后,分析浅埋地下厂房分层开挖下围岩体的应力调整特征,并从应力调整角度提出了浅埋地下厂房考虑开挖阶段、典型部位、以及岩体基本质量(BQ值)的围岩破坏模式分类,详细阐述与分析各破坏模式的破坏现象及破坏机制;最后,将该破坏模式分类在托巴水电站地下洞室群进行了应用验证。提出的围岩破坏模式分类可为浅埋地下工程施工期围岩破坏防治提供参考。

关键词：岩石力学浅埋地下厂房围岩破坏模式围岩应力调整围岩破坏机制托巴水电站

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深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

岩石力学与工程学报 2007年第A01期26卷 3578-3583页

作者：康勇李晓红杨春和重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室重庆400044 中国科学院武汉岩土力学研究所湖北武汉430071

深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中,由于应力重分布导致围岩损伤破坏,传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展,采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性,但目前仅在均质性假设的基础上对应... 详细信息

深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中,由于应力重分布导致围岩损伤破坏,传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展,采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性,但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究,缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22+029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟,使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化,定量模拟计算围岩损伤度的变化,揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性,得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主,围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹;损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系;损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义,也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。

关键词：隧道工程深埋隧道围岩破坏模式细观损伤力学

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通透肋式拱梁隧道结构荷载设计计算方法探讨

岩石力学与工程学报 2013年第12期32卷 2489-2496页

作者：余飞陈善雄陈修和张胜王飞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 安徽省交通规划设计研究院安徽合肥230041

以通透肋式拱梁隧道这一新型洞室结构为对象,对其赋存地质环境条件和结构受力特征进行分析,明确该类型的半明半暗隧道结构应以极限状态下围岩破坏所引起的松弛压力为设计荷载标准的理念;通过对隧道围岩破坏形态和范围的数值模拟研究,弄... 详细信息

以通透肋式拱梁隧道这一新型洞室结构为对象,对其赋存地质环境条件和结构受力特征进行分析,明确该类型的半明半暗隧道结构应以极限状态下围岩破坏所引起的松弛压力为设计荷载标准的理念;通过对隧道围岩破坏形态和范围的数值模拟研究,弄清其基本破坏模式为:拱顶山坡岩体沿通过拱脚的一斜面形成楔体滑移,滑动破坏面与水平面的夹角即破裂角的大小决定围岩破坏的范围;以此为基础,结合理论分析推导建立通透肋梁拱梁隧道结构荷载设计计算模型,并与实际监测数据和施工工况数值模拟结果进行对比验证分析;分析结果表明,采用该模型计算的内力分布较好地反映隧道结构内力的变化规律,且具有可靠的安全裕,为同类型半明半暗隧道结构设计以及长期稳定性评价提供一种实用有效的分析方法。

关键词：隧道工程傍山隧道通透式结构结构荷载围岩破坏模式设计计算模型

基于夹持效应的普立特大桥隧道锚现场模型试验研究

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岩石力学与工程学报 2015年第2期34卷 261-270页

作者：余美万张奇华喻正富夏国邦王世谷边智华汪宏长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室湖北武汉430010 云南省普宣高速公路建设指挥部云南宣威655400 招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆400067

为揭示隧道锚围岩夹持效应的力学机制,认识隧道锚围岩破坏模式并确定极限抗拔能力,进行圆台形锚体和圆柱形锚体的夹持效应对比试验。试验选择在普立特大桥隧道锚碇区勘探斜洞的2条平行支洞内进行,2种模型试体的侧面积和高度相同,以定量... 详细信息

为揭示隧道锚围岩夹持效应的力学机制,认识隧道锚围岩破坏模式并确定极限抗拔能力,进行圆台形锚体和圆柱形锚体的夹持效应对比试验。试验选择在普立特大桥隧道锚碇区勘探斜洞的2条平行支洞内进行,2种模型试体的侧面积和高度相同,以定量比较因夹持作用引起的隧道锚围岩极限抗拔能力的差别。试验结果表明,与圆柱形锚体模型相比,圆台形锚体模型因存在夹持效应,破坏前的变形量、围岩变形影响范围、破坏时的极限荷载明显增大。圆柱形锚体发生锚体混凝土与围岩接触面破坏,脆性破坏明显。圆台形锚体发生围岩沿不利结构面破坏,且破坏前经历了很长的屈服变形阶段,两者破坏模式完全不同。提出了夹持效应系数的概念及其计算模式,得出弹性阶段夹持效应系数、极限强度夹持效应系数分别为4.48,4.54。夹持效应产生的抗拔能力远远大于混凝土与岩体接触面的抗剪强度,是隧道锚抗拔能力的主要支撑。

关键词：隧道工程普立特大桥隧道锚碇现场模型试验极限抗拔能力夹持效应围岩破坏模式

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不同埋深条件下隧道围岩压力设计值通用算法

铁道工程学报 2023年第6期40卷 62-68页

作者：徐晨肖明清谢壁婷王克金崔岚中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063 中国科学院武汉岩土力学研究所武汉430071

研究目的:围岩压力的计算是隧道支护结构量化设计的重要环节,目前研究存在明显不足,比如深浅埋分界处围岩压力突变、深埋阶段围岩压力为定值,这些都与实际不相符。为此,本文引入围岩压力设计值概念,提出基于围岩破坏模式的围岩压力设计... 详细信息

研究目的:围岩压力的计算是隧道支护结构量化设计的重要环节,目前研究存在明显不足,比如深浅埋分界处围岩压力突变、深埋阶段围岩压力为定值,这些都与实际不相符。为此,本文引入围岩压力设计值概念,提出基于围岩破坏模式的围岩压力设计值通用方法,可为不同埋深下的隧道支护设计提供理论指导。研究结论:(1)本文方法通过计算岩体接近或达到破坏阶段时的极限平衡状态及其破坏区荷载寻求围岩压力设计值,对不同特征隧道具有通用性;(2)隧道由浅入深其支护-破坏区荷载演变规律是不同的,导致其围岩压力特征也有较大区别,浅埋隧道支护-破坏区荷载曲线依次经历全覆土破坏阶段、压剪破坏两侧夹持阶段、洞周压剪破坏阶段、无破坏或局部破坏阶段四阶段,前两个阶段以松弛荷载为主,后两个阶段以形变压力为主,当介于两者之间时,需根据隧道极限平衡状态综合判定,并包络取值,采用本文方法可以保证隧道围岩压力计算结果随埋深变化的连续性;(3)相比于《铁路隧道设计规范》,采用本文方法计算的围岩压力设计值与实际工程结果吻合较好,具备更高的合理性与可靠性。

关键词：埋深围岩压力设计值围岩破坏模式隧道支护

高应力“三软”煤层回采巷道围岩破坏机制及控制研究

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采矿与安全工程学报 2018年第3期35卷 449-456页

作者：唐建新王艳磊舒国钧代张音刘姝重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学资源及环境科学学院重庆400044 贵州大学矿业学院贵州贵阳550025

为明确高应力"三软"煤层回采巷道围岩破坏模式和支护失效机制,以船景煤矿典型"三软"不稳定煤层1171综采工作面回采巷道为工程背景,通过室内及现场实验、现场观察监测和理论分析相结合的方法对巷道围岩变形破坏进行综合分析研究。结果表... 详细信息

为明确高应力"三软"煤层回采巷道围岩破坏模式和支护失效机制,以船景煤矿典型"三软"不稳定煤层1171综采工作面回采巷道为工程背景,通过室内及现场实验、现场观察监测和理论分析相结合的方法对巷道围岩变形破坏进行综合分析研究。结果表明:巷道围岩破坏模式为高应力条件下的软岩流变大变形破坏模式;支护失效机制为高应力条件下软弱围岩在流变作用下松动破坏扩展剧烈,致使锚网索联合支护结构失效,进而导致围岩-支护承载结构丧失承载力;对于高应力"三软"煤层回采巷道,锚网索联合支护具有明显的局限性。最后提出以新型全长黏结锚固、全封闭护面、顶板多拱有序承载和围岩协同加固技术为核心的优化支护方案并在现场实验应用,结果显示优化支护段巷道围岩变形得到有效控制。

关键词： “三软”煤层高应力围岩破坏模式支护失效机制支护方案优化

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红岭铅锌矿多中段回采围岩破坏机理研究

金属矿山 2017年第9期46卷 20-24页

作者：胡高建杨天鸿张飞周靖人深部金属矿山安全开采教育部重点实验室辽宁沈阳110819 东北大学资源与土木工程学院辽宁沈阳110819

为研究红岭铅锌矿分枝矿体在回采中的围岩破坏机理,分析中间夹层岩体对回采的影响。建立三维力学计算模型,应用并行计算技术和COMSOL Multiphysics数值仿真软件,从顶板、矿柱破坏模式和规律,围岩的动态破坏机理方面,对含夹层的分枝矿体... 详细信息

为研究红岭铅锌矿分枝矿体在回采中的围岩破坏机理,分析中间夹层岩体对回采的影响。建立三维力学计算模型,应用并行计算技术和COMSOL Multiphysics数值仿真软件,从顶板、矿柱破坏模式和规律,围岩的动态破坏机理方面,对含夹层的分枝矿体多中段回采进行了研究。研究结果表明:(1)顶板主要破坏模式为拉破坏,矿柱主要破坏模式为X状共轭剪切破坏。(2)围岩的动态破坏机理:回采3中段,大理岩两侧失去围岩约束,3中段底板产生单斜面剪切破坏;回采4中段,大理岩悬空,地表产生拉剪破坏;回采5中段,大理岩陷落,地表塌陷。

关键词：岩石夹层并行计算数值仿真分枝矿柱回采围岩破坏模式间柱破坏模式

基于离散-连续耦合方法的土石混合体回填层隧道围岩稳定性研究

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基于离散-连续耦合方法的土石混合体回填层隧道围岩稳定性研究

作者：陈晓虎重庆交通大学

学位级别：硕士

近年来,我国的基建发展方向主要偏向于西南地区,而西南地区的地质条件十分复杂,特别是在早期的城市化建设中,通常采用“开山填谷”的方式平整工程场地,从而形成大量的土石混合体回填层区域。现今隧道穿越这类土石混合体回填层区域时,易... 详细信息

近年来,我国的基建发展方向主要偏向于西南地区,而西南地区的地质条件十分复杂,特别是在早期的城市化建设中,通常采用“开山填谷”的方式平整工程场地,从而形成大量的土石混合体回填层区域。现今隧道穿越这类土石混合体回填层区域时,易出现围岩变形过大、衬砌受力不均,甚至围岩坍塌破坏等严重工程事故,因此,如何正确分析土石混合体回填层隧道围岩稳定性成为解决此类工程问题的关键。基于此,本文依托于重庆市博士后科研项目特别资助“松散块石回填土隧道的精细化数值仿真方法与应用”,首先基于离散-连续耦合方法建立并验证了隧道模型,确定了最优离散域范围;其次以重庆某土石混合体回填层隧道工程为依托,建立了考虑块石真实形状和围岩结构特征的土石混合体回填层隧道模型,对土石混合体回填层隧道围岩的典型破坏模式进行了研究,系统性地研究了多种影响因素对土石混合体回填层隧道围岩稳定性的影响;最后分析了注浆圈厚度对土石混合体回填层隧道围岩稳定性的影响,并对土石混合体回填层隧道开挖过程进行了模拟。主要内容和成果如下:(1)研究了尺寸效应对砂岩力学参数的影响,基于离散-连续耦合方法建立了隧道模型,从三个方面验证了模型的可靠性和准确性;离散域范围对隧道模型存在边界效应的影响,综合考虑隧道围岩变形范围、应力范围和计算效率的影响,确定了最优离散域范围。(2)基于离散-连续耦合方法建立了考虑块石真实形状和围岩结构特征的土石混合体回填层隧道模型,对土石混合体回填层隧道围岩的典型破坏模式进行了研究,从宏、细观角度上揭示了土石混合体回填层隧道围岩的破坏模式。(3)基于离散-连续耦合方法从土石混合体覆盖层厚度、地表坡度、土岩界面倾角、隧道下穿位置4个影响因素系统性地研究土岩复合地层条件对土石混合体回填层隧道围岩稳定性的影响,获得了土石混合体回填层隧道围岩的位移、应力、块石转动角度、接触力链、裂隙、配位数等宏细观力学特征,总结了各个复合地层条件对土石混合体回填层隧道围岩稳定性的影响大小。(4)基于离散-连续耦合方法从含石量、最大粒径2个影响因素系统性地研究了土石混合体物理参数对隧道围岩稳定性的影响,获得了土石混合体回填层隧道围岩的位移、应力、块石转动角度、接触力链、裂隙等宏细观力学特征,总结了含石量和最大粒径对土石混合体回填层隧道围岩稳定性的影响大小。(5)基于离散-连续耦合方法研究了注浆圈厚度对土石混合体回填层隧道围岩稳定性的影响,得到了不同注浆圈厚度下隧道围岩的整体安全系数,分析了土石混合体回填层隧道围岩注浆后的破坏特征;通过对土石混合体回填层隧道开挖过程的模拟,分析了不同开挖阶段中土石混合体回填层隧道围岩的稳定性。

关键词：土石混合体回填层隧道离散-连续耦合围岩破坏模式稳定性

大型地下厂房洞室群施工期动态反馈优化设计方法研究

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大型地下厂房洞室群施工期动态反馈优化设计方法研究

作者：向天兵中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）

学位级别：硕士

随着一大批大型水电工程的兴建,地下厂房洞室群作为重要的水工建筑物,其建设难度大大超出一般的地下工程,由围岩失稳导致的工程事故时有发生,大型地下洞室群施工期稳定性分析与控制已经成为亟待解决的研究课题。本文面向当前重大水电工... 详细信息

随着一大批大型水电工程的兴建,地下厂房洞室群作为重要的水工建筑物,其建设难度大大超出一般的地下工程,由围岩失稳导致的工程事故时有发生,大型地下洞室群施工期稳定性分析与控制已经成为亟待解决的研究课题。本文面向当前重大水电工程建设的需要,开展了大型地下厂房洞室群施工期动态反馈优化设计方法的研究,建立了由参数动态反演、围岩破坏模式识别与动态调控、厂房分层开挖整体稳定性动态评价等组成的科学、实用的施工期动态反馈优化设计流程,重点研究和总结了各部分的相关方法和技术问题。将该研究成果应用于锦屏二级水电站大型地下厂房洞室群的开挖过程,获得了理想的效果。归纳起来,本文主要开展了如下研究工作： 1.吸收现有地下工程动态设计方法的优点,融合岩石力学理论与数值计算方法、围岩支护技术、围岩监控与测试方法、反馈分析理论与方法、系统科学及工程优化方法等理论与技术的最新进展,结合地下厂房洞室群的特点,建立了大型地下厂房洞室群施工期实时、动态、闭环反馈优化设计流程。 2.结合目前广泛应用的岩体力学参数智能优化反演方法,系统研究了地下厂房施工期参数分期动态反演各步骤涉及的原则、方法和技术问题,包括监测方案设计原则和要点、监测数据和待反演参数选取原则、计算数据提取格式及三维计算参数的反演技术等,保证了参数反演结果的可靠性和效率。 3.通过开展不同岩性的完整试样和含结构面试样在模拟工程开挖卸荷和支护应力路径下的真三轴试验,在总结现有地下工程围岩破坏模式分类、分析方法和控制措施的基础上,国内外首次深入、系统、多角度地研究了大型地下厂房洞室群的围岩局部破坏问题,包括破坏模式分类、破坏机理、发生条件、发生部位、分析方法和控制措施等,并提出了施工期围岩局部破坏动态调控方法。该研究成果是动态反馈优化设计方法的重要环节和体现工程实用性的特色所在,可为现场科研和设计人员提供全面而又便利的参考。 4.考虑到智能优化反演方法获得的等效岩体力学参数综合反映了开挖过程中地质条件变化、各类监测和测试信息及开挖、支护施工过程,在参数动态反演的基础上引入模糊综合评价方法对各监测断面和厂房整体的稳定性进行动态评价,这种方法综合考虑了围岩劣化、破坏机制及施工期各种不确定因素影响,为施工期系统设计优化提供科学的依据。 5.本文建立的大型地下厂房洞室群动态反馈优化设计方法成功应用于锦屏二级水电站,以地下厂房洞室群第三期开挖过程为例,演示了一个完整的施工期动态反馈优化设计循环。全部开挖过程的动态设计成果的总结表明,本文方法不仅实用、可操作性强,而且能够较好地把握和控制开挖过程中围岩的力学行为与稳定性,可为其他同类工程所借鉴。

关键词：动态反馈优化设计方法地下洞室群参数动态反演围岩破坏模式整体稳定性评价