引水隧洞工程中熱應(yīng)力中對圍巖表層穩(wěn)定性的影響分析

以實(shí)際深埋軟巖引水隧洞施工為背景,在對導(dǎo)致大變形的圍巖壓力性質(zhì)認(rèn)識和力學(xué)行為分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬手段、施工變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和圍巖—襯砌接觸壓力現(xiàn)場試驗(yàn),研究了隧洞開挖后洞周位移分布特征、圍巖變形和支護(hù)受力隨時(shí)間發(fā)展規(guī)律。研究結(jié)論表明:(1)大主應(yīng)力方向?yàn)榇怪狈较虻母叩貞?yīng)力環(huán)境中,隧洞軟巖大變形以擠壓型變形為主;(2)開挖面和二襯對約束隧洞空間位移分布具有重要作用;(3)軟弱圍巖變形發(fā)展和支護(hù)受力具有明顯的流變特性和時(shí)間效應(yīng),及時(shí)施加二襯能有效限制流變變形的發(fā)展。在研究基礎(chǔ)上提出了一些施工中有益于控制圍巖穩(wěn)定性的建議。

第24卷第20期巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)vol.24no.20 2005年10月chinesejournalofrockmechanicsandengineeringoct.，2005 收稿日期：2005–06–13；修回日期：2005–08–15 作者簡介：王于寶(1962–)，男，1984年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)水利水電工程系，現(xiàn)為教授級高級工程師，主要從事水文地質(zhì)及工程地質(zhì)方面的研究工 作。e-mail：dlbwyb@yahoo.com.cn，dlbwybwy@263.net。 大坂引水隧洞工程變形監(jiān)測及穩(wěn)定性分析 王于寶1 ，2，王曉衛(wèi)2，顏新榮2，麻永福2 (1.中國礦業(yè)大學(xué)，北京100083；2.新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000) 摘要：“九九”大坂區(qū)各比選方案引水隧洞線均穿越第四系中

利用三維拉格朗日有限差分法對某深埋隧洞工程進(jìn)行分步開挖支護(hù)數(shù)值模擬,對比分析了隧洞在無支護(hù)、錨桿支護(hù)、襯砌支護(hù)及復(fù)合支護(hù)下圍巖的應(yīng)力、位移和塑性區(qū)分布,對地下隧洞工程設(shè)計(jì)與施工提供了參考依據(jù)。

糯租水電站工程建設(shè)已完工，本文根據(jù)引水隧洞開挖后所揭露的地質(zhì)狀況，對引水隧洞的工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜述，并對圍巖及滲透穩(wěn)定問題作出分析評價(jià)。

糯租水電站工程建設(shè)已完工,根據(jù)引水隧洞開挖后所揭露的地質(zhì)狀況,對引水隧洞的工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜述,并對圍巖及滲透穩(wěn)定問題作出分析評價(jià)。通過5個(gè)多月的運(yùn)行,引水隧洞圍巖穩(wěn)定,基本無內(nèi)水外滲現(xiàn)象。

大伙房水庫引水隧洞tbm掘進(jìn)段圍巖穩(wěn)定性分析——利用ansys軟件對大伙房水庫引水隧洞tbm掘進(jìn)段進(jìn)行了二維數(shù)值模擬。采用平面應(yīng)變模型。針對不同的上覆巖層厚度和圍巖類別，計(jì)算得出圍巖的應(yīng)力場和位移場，從這兩個(gè)角度對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。得出的結(jié)論對大型...

水工引水隧洞施工過程中,常發(fā)生塌方、突涌水和巖爆等不良地質(zhì)問題,直接對施工安全和工程進(jìn)度造成嚴(yán)重影響。為準(zhǔn)確預(yù)判圍巖穩(wěn)定性防止發(fā)生事故,施工開挖過程中圍巖穩(wěn)定性分析十分重要。文章結(jié)合工程實(shí)例,考慮多種地質(zhì)條件和內(nèi)水壓力等因素,選取典型斷面模擬隧洞在開挖和支護(hù)等多種工況下的應(yīng)力變形計(jì)算分析,結(jié)論對指導(dǎo)引水隧洞圍巖穩(wěn)定性分析研究具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

水工引水隧洞施工過程中,常發(fā)生塌方、突涌水和巖爆等不良地質(zhì)問題,直接對施工安全和工程進(jìn)度造成嚴(yán)重影響.為準(zhǔn)確預(yù)判圍巖穩(wěn)定性防止發(fā)生事故,施工開挖過程中圍巖穩(wěn)定性分析十分重要.文章結(jié)合工程實(shí)例,考慮多種地質(zhì)條件和內(nèi)水壓力等因素,選取典型斷面模擬隧洞在開挖和支護(hù)等多種工況下的應(yīng)力變形計(jì)算分析,結(jié)論對指導(dǎo)引水隧洞圍巖穩(wěn)定性分析研究具有一定的指導(dǎo)價(jià)值.

基于大型通用有限元軟件ansys對引水式水電站引水隧洞開挖與襯砌過程進(jìn)行數(shù)值模擬。隧洞開挖與襯砌采用ansys軟件中的生死單元來實(shí)現(xiàn)。通過模擬隧洞的開挖與襯砌，改變地下水水位，進(jìn)而對各水位對應(yīng)下的引水隧洞洞身段圍巖及襯砌穩(wěn)定進(jìn)行評價(jià)。故在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上．結(jié)合工程實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)．研究地下水水位對隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響，并得出幾點(diǎn)有益的結(jié)論，以期為實(shí)際隧洞工程施工及設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

采用有限元方法,初步研究了隧洞在埋深為33,233,433m時(shí),在ⅰ~ⅴ級圍巖的受力、塑性變形和位移變化。研究發(fā)現(xiàn),在同一埋深下,隨著圍巖破碎程度的增加,圍巖的受拉區(qū)和塑性變形區(qū)逐漸從拱頂、底向邊墻轉(zhuǎn)移,并可能在邊墻處發(fā)生拉應(yīng)力突增現(xiàn)象,突增幅度隨埋深的增加而增大。隧洞的拱頂、邊墻和拱底都會產(chǎn)生較大位移;隨著埋深的增加和巖體的破碎,拱頂和拱肩的位移會超過其他部位。計(jì)算結(jié)果和已有的模型試驗(yàn)結(jié)果相比較,論證了研究方法和結(jié)論的合理性。

針對2種不同施工順序?qū)Φ叵露词覈鷰r穩(wěn)定性的影響,其一是先開挖地下隧道,后修建地面建筑,分析了隧道洞頂?shù)某两滴灰?、洞室圍巖的變形、塑性區(qū)、拉壓破壞區(qū)等;其二是先修建地面建筑地面建筑先完成,后開挖地下隧道,分析了地下隧道的受力、變形、破壞區(qū)以塑性區(qū)等。通過分析得出了前一種施工順序更為有利的結(jié)論。

以納溪高速公路敘嶺關(guān)隧道為背景,以方形溶洞為例,運(yùn)用三維有限元方法分析隧道側(cè)部溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明:隨著隧道的不斷推進(jìn),右拱腳附近豎向位移和最大主應(yīng)力有較明顯的增加;拱頂、拱底圍巖變形有朝溶洞方向位移的趨勢;側(cè)部溶洞對圍巖的影響范圍大約是2倍隧道洞徑,對1倍隧道洞徑內(nèi)的圍巖及側(cè)部溶洞應(yīng)及時(shí)處理。隧道圍巖位移、應(yīng)力的變化規(guī)律可為巖溶處理、支護(hù)時(shí)機(jī)提供依據(jù)。

文中介紹了水壓致裂法地應(yīng)力測量原理,并對水壓致裂法測定的東山供水工程9#隧洞天然地應(yīng)力大小及方向進(jìn)行了分析計(jì)算。結(jié)合隧洞工程實(shí)際,應(yīng)用圍巖應(yīng)力理論,計(jì)算隧洞開挖后洞壁重分布應(yīng)力,評價(jià)了隧洞圍巖穩(wěn)定。依據(jù)強(qiáng)度應(yīng)力比判定了隧洞巖爆問題。對工程方案的可靠性及設(shè)計(jì)開挖和支護(hù)處理措施具有指導(dǎo)意義。

采用離散網(wǎng)絡(luò)滲流模型模擬節(jié)理巖體中的滲流,分析滲流對節(jié)理地下洞室穩(wěn)定性的影響。通過對洞室開挖后常規(guī)靜力荷載、常規(guī)靜力荷載與滲透壓力耦合作用以及常規(guī)靜力荷載作用下考慮地下水對洞室圍巖的軟化作用3種工況進(jìn)行模擬,得出洞室在3種工況下的應(yīng)力和位移變化情況。結(jié)果表明:考慮地下水與否,不受其他外加荷載作用時(shí),節(jié)理巖體地下洞室的圍巖都不會遭到破壞;有高水頭地下水作用時(shí),滲透壓力對洞室圍巖的影響要比地下水對洞室圍巖的軟化作用對洞室圍巖的影響大得多;滲透壓力對地下洞室圍巖的影響主要集中在洞頂部位,洞室側(cè)壁圍巖受地下水的影響較小。

以撫順西露天礦為工程背景,采用flac軟件研究露天轉(zhuǎn)地下開采中垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力比和巷道跨高比變化對圍巖穩(wěn)定性影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明,受開挖擾動的圍巖體中存在自平衡拱結(jié)構(gòu),其特征為該區(qū)域的應(yīng)力高于其他區(qū)域。自平衡拱是最主要的承載體,上覆巖層荷載和壓力通過自平衡拱傳遞到采場周邊;自平衡拱形狀受應(yīng)力環(huán)境和巷道斷面尺寸影響。

水電工程中的"深埋、大跨、高墻"型水工隧洞應(yīng)用越來越多,開挖過程中洞室的圍巖穩(wěn)定性問題顯得尤為突出。以西南某水電站為例,采用ansys軟件對地下廠房洞室群分層開挖進(jìn)行模擬計(jì)算。為同類工程及相關(guān)研究提供參考。

在尚家灣隧道施工期間,曾預(yù)報(bào)并揭露大型溶洞,溶洞的存在給隧道施工帶來極大的安全隱患。以尚家灣隧道為背景,開展數(shù)值試驗(yàn)。通過對比隧道前方有、無溶洞條件下開挖工況,從位移、應(yīng)力、塑性區(qū)3個(gè)方面分析了隧道前方大型溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。研究表明:對于本工程而言,溶洞對隧道底部和左側(cè)拱腰的影響要大于對隧道頂部及右側(cè)拱腰的影響;隧道前方存在大型溶洞條件下塑性區(qū)體積隨開挖位置呈指數(shù)增長。隧道前方無溶洞條件下,塑性區(qū)體積隨開挖位置呈線性增長,即溶洞的存在大大加速了隧道開挖塑性破壞區(qū)的增長。該研究對巖溶地區(qū)隧道安全施工具有一定的指導(dǎo)意義。

通過建立有限元、離散元兩種數(shù)值力學(xué)模型,開展開挖跨度對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律研究。結(jié)果表明:在不考慮洞室形狀影響的前提下,當(dāng)圍巖按連續(xù)介質(zhì)假設(shè),且開挖后仍處于彈性應(yīng)力狀態(tài)時(shí),單純增加隧道開挖跨度對圍巖應(yīng)力狀態(tài)影響不大;但若開挖后進(jìn)入彈塑性應(yīng)力狀態(tài),則單純加大開挖跨度會導(dǎo)致塑性區(qū)半徑大幅度增加,影響圍巖穩(wěn)定。當(dāng)圍巖按非連續(xù)介質(zhì)假定時(shí),巖體失穩(wěn)主要呈現(xiàn)節(jié)理面間剪切滑移。開挖跨度增大相當(dāng)于隧道跨度與巖塊的相對尺度增大,隧道關(guān)鍵塊體失穩(wěn)概率加大,對于相同產(chǎn)狀節(jié)理巖體,關(guān)鍵塊體出現(xiàn)部位相同;另一方面,跨度增大引起在隧道開挖的應(yīng)力擾動區(qū)內(nèi)遭遇節(jié)理的組數(shù)增加,組數(shù)越多,巖體越破碎,失穩(wěn)概率越大,且失穩(wěn)模式各有不同,增加了支護(hù)難度。

電力隧道施工中對圍巖穩(wěn)定性的分析

凍巖隧道施工中,開挖、初襯、保溫層和二襯等作業(yè),產(chǎn)生的施工熱量及洞內(nèi)外空氣的熱交換,將影響凍土圍巖原始地溫場。這種地溫場的擾動,破壞了凍土地層的熱力學(xué)平衡,使其凍土的熱物理力學(xué)性能發(fā)生改變,其中包括凍土的融沉性、凍土回凍過程的膨脹性以及隧道的穩(wěn)定性等工程力學(xué)性能。因此,保護(hù)凍土、減少施工對凍土原始地溫場的擾動是凍土隧道施工的重要控制因素之一。通過建立凍土圍巖、支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)、隔熱保溫層和洞內(nèi)環(huán)境氣體熱力學(xué)模型,根據(jù)實(shí)際工況和實(shí)測洞內(nèi)環(huán)境溫度及地溫,應(yīng)用ansys有限元程序,對不同施工工況下圍巖的溫度場變化進(jìn)行模擬,分別研究毛洞暴露時(shí)間、初襯施作時(shí)機(jī)、初襯持續(xù)時(shí)間等不同狀況下,凍巖溫度場的擾動規(guī)律、融化圈深度。根據(jù)不同施工方法下融化圈大小對洞室穩(wěn)定性的影響,為凍土隧道施工控制和決策提供科學(xué)依據(jù)。

通過曼歇2號隧道中導(dǎo)洞開挖中的地質(zhì)素描和資料收集,依據(jù)掌子面和兩壁出露的地質(zhì)體的巖性、節(jié)理、巖體結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)構(gòu)造特征等綜合特征,沿其走向、傾向和傾角的延伸推斷工作面短距離前方的地質(zhì)情況,應(yīng)用赤平投影分析法對正洞的圍巖穩(wěn)定性和邊坡的變形破壞做出定性和定量分析,從而預(yù)測兩側(cè)正洞的地質(zhì)情況,對連拱隧道上、下行線正洞的施工予以指導(dǎo)和控制,進(jìn)而達(dá)到短期預(yù)報(bào)的目的。

通過rfpa方法考慮巖石材料的細(xì)觀非均勻特性,對深埋硬巖隧洞全斷面一次開挖和分?jǐn)嗝娑啻伍_挖進(jìn)行數(shù)值模擬分析,直觀呈現(xiàn)隧道圍巖破裂面位置與形態(tài)漸進(jìn)破壞誘致失穩(wěn)的演化全過程,并與現(xiàn)場破壞情況對比研究,旨在揭示兩種不同施工過程中應(yīng)力演化、位移擴(kuò)展、能量釋放多個(gè)特征方面對圍巖穩(wěn)定性的影響及其破壞機(jī)制。數(shù)值模擬結(jié)果表明,隧洞圍巖穩(wěn)定性采用分?jǐn)嗝娑啻伍_挖優(yōu)于全斷面一次開挖方式,為應(yīng)對1#引水隧洞tbm掘進(jìn)到錦屏山核部強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn),排引2#橫通道往西洞段采用鉆爆法超前實(shí)施導(dǎo)洞方案為最佳。雖然分?jǐn)嗝骈_挖可以顯著地降低圍巖破壞風(fēng)險(xiǎn),但不能徹底排除多次擴(kuò)挖過程中圍巖大塌方的情況,則建議這些洞段直接鉆爆擴(kuò)挖到位,讓tbm步進(jìn)安全通過為宜。同時(shí)深埋硬巖\"城門型\"隧道的破壞機(jī)制是來自側(cè)壁破壞為主而拱形部位不存在壓力拱破壞,與淺埋隧道的破壞在拱頂?shù)钠茐臋C(jī)制有明顯區(qū)別,對認(rèn)識隧道破壞機(jī)制有重要意義。