高地应力下大型地下洞室群开挖与支护方案的优化研究

摘要

资源开采、石油储存、地热开发等已向深部发展。国家战略能源储备中大型地下储气库及储油库也将在深部地下空间中建造。我国西部开发战略的实施，加快了水电站建设，在今后十年之内新建的大型水电站和蓄能电站，主要分布于西部高山峡谷地区，这些水电站大多选择为深埋式地下厂房构筑物，现代地下工程中所开挖的洞室集中了“跨度大、走向长、埋层深、地应力高、洞室群”的特点。 本论文以国家杰出青年科学基金(50325414)《高应力下地下工程稳定性的智能分析与优化》及其依托工程课题《拉西瓦水电站高地应力条件下大型地下洞群围岩稳定及合理支护措施研究》中的部分内容来开展研究工作。 拉西瓦水电站地下厂房岩体主要为花冈岩，针对厂区地应力高的显著特点，对采自地下厂房的花岗岩进行了室内试验研究，通过单轴压缩试验获得了花岗岩的基本力学参数；进行了不同围压下的常规三轴压缩试验，研究其破坏特性及规律，对花冈岩的弹脆性破坏特征用基于莫尔库仑强度准则的粘聚力弱化、摩擦力强化本构关系来进行描述；针对厂房跨度大、边墙高的典型大型洞室群的特点，基于FLAC-3D平台对厂房开挖进行了六种组合方案的模拟计算，研究不同开挖台阶高度和不同开挖步序对围岩稳定性的影响，用应力场、位移场、能量释放率、塑性破损区等指标对开挖方案进行评价，比较出最好的开挖方案；对评价出的方案进行了不同支护参数下的开挖支护模拟计算，分析比较支护参数对围岩稳定性的影响，确定较优的支护方案；通过模拟计算定性的给出洞室围岩需要加强支护处理的区域和方位(位移较大，塑性区严重，应力集中或出于拉应力状态等围岩区域)以及关于开挖步序调整的建议。 对高地应力条件下的地下洞室开挖与支护的研究，直接关系到了洞室围岩的稳定问题和工程的安全问题，所以有积极的意义，也是势在必行的。

目录

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第一章绪论

1.1选题依据和研究意义

1.2国内外研究状况

1.2.1高地应力的含义

1.2.2有关高地应力的研究

1.2.3国内外对岩爆预测预报的研究

1.2.4基于非线性和智能方法的岩爆判别指标

1.2.5岩爆防治的研究

1.3本文主要工作及技术路线

1.3.1本文主要工作

1.3.2技术路线

第二章花岗岩室内试验及其弹脆性本构研究

2.1花岗岩室内试验研究

2.1.1花岗岩单轴压缩试验结果

2.1.2花岗岩常规三轴试验结果

2.1.3试样破坏情况

2.2硬岩弹脆性破坏的本构研究

2.3本章小结

第三章高地应力下岩爆问题及洞室围岩稳定性

3.1高地应力区的岩爆

3.2岩爆倾向性判别指标研究

3.2.1基于岩性的岩爆判别指标

3.2.2基于现场情况的岩爆判别指标

3.2.3基于断裂损伤、非线性科学、智能科学等的判别指标

3.3隧洞围岩稳定性

3.3.1岩体的原始应力状态

3.3.2应力重分布及对围岩稳定性的影响

3.3.3隧洞围岩的破坏

3.3.4提高围岩稳定性的措施

3.4本章小结

第四章拉西瓦地下洞室群开挖顺序与支护方案的优化

4.1.工程介绍

4.1.1工程概况

4.1.2厂区地质特征

4.1.3围岩力学参数

4.2数值计算软件概述

4.2.1 Ansys软件概述

4.2.2 FLAC-3D概述

4.3三维计算模型的建立

4.3.1模型建立与网格剖分

4.3.2初始应力场及边界条件

4.4开挖设计方案

4.5地下洞室群开挖方案优化分析

4.5.1不同开挖方案围岩塑性破损区与应力场分布

4.5.2不同开挖方案围岩能量释放率与塑性区分析

4.5.3不同开挖方案的围岩位移场分

4.5.4最优开挖方案的确定

4.5.5最优开挖方案围岩位移场变化规律

4.5.6小结

4.6支护方案的优化

4.6.1锚固支护计算分析方法

4.6.2支护方案设计

4.6.3支护的模拟计算与结果分析

4.6.4洞室群整体稳定性的综合评价

4.7本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致 谢

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