引水隧洞工程中熱應(yīng)力中對(duì)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(duì)導(dǎo)致大變形的圍巖壓力性質(zhì)認(rèn)識(shí)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(cè)數(shù)據(jù)和圍巖—襯砌接觸壓力現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(jiǎn)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(jí)高級(jí)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(cè)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(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京100083；2.新疆水利水電勘測(cè)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(duì)某深埋隧洞工程進(jìn)行分步開挖支護(hù)數(shù)值模擬,對(duì)比分析了隧洞在無(wú)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(duì)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(duì)引水隧洞的工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜述，并對(duì)圍巖及滲透穩(wěn)定問(wèn)題作出分析評(píng)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(duì)引水隧洞的工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜述,并對(duì)圍巖及滲透穩(wěn)定問(wèn)題作出分析評(píng)價(jià)。通過(guò)5個(gè)多月的運(yùn)行,引水隧洞圍巖穩(wěn)定,基本無(wú)內(nèi)水外滲現(xiàn)象。

大伙房水庫(kù)引水隧洞tbm掘進(jìn)段圍巖穩(wěn)定性分析——利用ansys軟件對(duì)大伙房水庫(kù)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(duì)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(chǎng)和位移場(chǎng)，從這兩個(gè)角度對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。得出的結(jié)論對(duì)大型...

水工引水隧洞施工過(guò)程中,常發(fā)生塌方、突涌水和巖爆等不良地質(zhì)問(wèn)題,直接對(duì)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(guò)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(duì)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(guò)程中,常發(fā)生塌方、突涌水和巖爆等不良地質(zhì)問(wèn)題,直接對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)引水式水電站引水隧洞開挖與襯砌過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)模擬隧洞的開挖與襯砌，改變地下水水位，進(jìn)而對(duì)各水位對(duì)應(yīng)下的引水隧洞洞身段圍巖及襯砌穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)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(duì)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(jí)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(huì)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(huì)超過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)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(shì);側(cè)部溶洞對(duì)圍巖的影響范圍大約是2倍隧道洞徑,對(duì)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(cè)量原理,并對(duì)水壓致裂法測(cè)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(píng)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(wèn)題。對(duì)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(duì)節(jié)理地下洞室穩(wěn)定性的影響。通過(guò)對(duì)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(duì)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(huì)遭到破壞;有高水頭地下水作用時(shí),滲透壓力對(duì)洞室圍巖的影響要比地下水對(duì)洞室圍巖的軟化作用對(duì)洞室圍巖的影響大得多;滲透壓力對(duì)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(duì)圍巖穩(wěn)定性影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明,受開挖擾動(dòng)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(guò)自平衡拱傳遞到采場(chǎng)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(lái)越多,開挖過(guò)程中洞室的圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題顯得尤為突出。以西南某水電站為例,采用ansys軟件對(duì)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(lái)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(guò)對(duì)比隧道前方有、無(wú)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(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。研究表明:對(duì)于本工程而言,溶洞對(duì)隧道底部和左側(cè)拱腰的影響要大于對(duì)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(zhǎng)。隧道前方無(wú)溶洞條件下,塑性區(qū)體積隨開挖位置呈線性增長(zhǎng),即溶洞的存在大大加速了隧道開挖塑性破壞區(qū)的增長(zhǎng)。該研究對(duì)巖溶地區(qū)隧道安全施工具有一定的指導(dǎo)意義。

通過(guò)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(duì)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?cè)黾铀淼篱_挖跨度對(duì)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(huì)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(duì)尺度增大,隧道關(guān)鍵塊體失穩(wěn)概率加大,對(duì)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(dòng)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(duì)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(chǎng)。這種地溫場(chǎng)的擾動(dòng),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(guò)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(duì)凍土原始地溫場(chǎng)的擾動(dòng)是凍土隧道施工的重要控制因素之一。通過(guò)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(cè)洞內(nèi)環(huán)境溫度及地溫,應(yīng)用ansys有限元程序,對(duì)不同施工工況下圍巖的溫度場(chǎng)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(chǎng)的擾動(dòng)規(guī)律、融化圈深度。根據(jù)不同施工方法下融化圈大小對(duì)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(guò)曼歇2號(hào)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(duì)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(cè)兩側(cè)正洞的地質(zhì)情況,對(duì)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(guò)rfpa方法考慮巖石材料的細(xì)觀非均勻特性,對(duì)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(guò)程,并與現(xiàn)場(chǎng)破壞情況對(duì)比研究,旨在揭示兩種不同施工過(guò)程中應(yīng)力演化、位移擴(kuò)展、能量釋放多個(gè)特征方面對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)為宜。同時(shí)深埋硬巖\"城門型\"隧道的破壞機(jī)制是來(lái)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(duì)認(rèn)識(shí)隧道破壞機(jī)制有重要意義。