大埋深岩爆高风险隧洞围岩稳定性与锚杆参数研究

摘要

随着我国经济建设的突飞猛进，水利水电、公路铁路等事业也不断发展，相关的地下工程建设日趋复杂，在高地应力条件下地下洞室开挖过程中洞室围岩变形、应力分布及其稳定性变化具有极大的特殊性。如果在大埋深高地应力条件下进行隧洞开挖，其围岩的力学特性及稳定性尤其要密切关注，一旦出现问题则容易影响地下工程安全甚至发生灾难性后果。然而，究竟如何才能准确得出围岩力学行为规律及其与一般条件下的围岩变形及应力二次分布规律有何不同，围岩稳定性分析方法和指标与传统方法有何区别以及区别到底有大，还须做进一步的大力探索和研究。
　　 本文以目前世界规模最大的锦屏二级水电站引水隧洞建设工程为背景，综合运用现场调查、理论分析、数值模拟、现场实测等方法与手段，全面系统地研究了围岩动态应力和位移变化规律，并采用多项指标综合评价了高地应力条件下大埋深岩爆高风险隧洞的围岩稳定性。本文的主要研究内容及结论如下:
　　 (1)从地质构造、围岩岩性参数指标、围岩分类等方面系统全面地分析了锦屏二级水电站引水隧洞工程区的工程地质条件，结合地质条件对引水隧洞的断面条件和开挖施工方案进行了分析，揭示了锦屏二级水电站引水隧洞具有大断面、大埋深、高地应力以及岩爆高风险等特点。在高地应力条件下开挖洞径达13m的隧洞，由于开挖过程围岩应力重新分布影响，有可能导致应力集中而诱发较为强烈的岩爆，在建设过程将会遭遇极大挑战，必须对其重大难题进行研究。
　　 (2)通过对岩爆段岩爆形式的统计分析发现，锦屏二级水电站引水隧洞群岩爆破坏类型主要为剥落型和爆裂型，岩爆主要发生在围岩条件较好的Ⅱ级围岩且伴随有较大的声响，主要发生在拱顶、拱肩和隧洞边墙。岩爆具有滞后性，离掌子面一定距离的已支护洞段也有可能发生岩爆。
　　 (3)选取典型埋深的洞段，运用数值模拟和现场实测等方法，对高地应力条件下隧洞开挖围岩的动态力学行为进行分析后发现，洞周会形成应力松弛而不是应力集中，反之由于应力转移在离洞壁一定深度内会形成应力集中区，围岩的安全稳定系数较低。开挖卸荷后应力将向深部围岩转移，在隧洞的左拱肩和右边墙位置会形成较大的应力集中，从能量的角度看在应力集中区域形成了较大的弹性应变能集中，该区域具有岩爆发生的应力和能量条件。可见高地应力条件下隧洞开挖过程围岩力学特性与一般条件下有所不同。
　　 (4)针对不同锚杆长度和不同锚杆预应力值情况，分析了其对围岩稳定性的影响。研究结果表明:锚杆在一定长度范围内随着锚杆长度的增加，洞周围岩位移明显减小，围岩的应力状态得到明显改善，但是超过一定长度后锚杆的作用几乎不变，所以选择过长的锚杆并不能充分发挥锚杆的控制作用，既不经济也不合理。同样增加锚杆预应力也能够有效改善围岩应力状态和控制围岩位移，但是超过一定值后锚杆的控制作用不再明显，也不能充分发挥锚杆的作用。
　　 (5)分别从围岩的围岩和应力变化规律、锚杆轴力变化规律、围岩塑性区体积变化规律以及围岩能量释放等多角度分析了不同支护滞后距离对围岩稳定性的影响。研究结果表明，随着支护滞后距离的增大，围岩应力和位移释放不断增大，围岩的自承载能力增加支护抗力减小，围岩的破坏和能量释放增大，围岩的稳定性降低。支护滞后距离为3m-6m时围岩应力和位移释放最为剧烈，且洞周围岩塑性区破坏体积和能量释放率变化最为明显，锚杆轴力的变化幅度也最大，现场应重点关注支护滞后3-6m区间时围岩稳定性的变化情况。在高地应力下进行隧洞开挖时，应及时支护跟进以充分发挥支护结构的加固作用，从而改善围岩力学性态并保证围岩稳定和地下结构安全。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 课题研究的背景和意义

1．3 国内外研究现状

1．4 主要研究内容、方法及技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 研究方法和技术路线

第2章 锦屏二级电站引水隧洞工程条件及施工方案分析

2．1 工程概况

2．2 工程地质条件及隧洞断面条件分析

2．3 隧洞施工方案分析

2．4 本章小结

第3章 引水隧洞岩爆特点以及影响因素分析

3．1 岩爆破坏类型

3．2 岩爆特征

3．3 岩爆的影响因素

3．4 本章小结

第4章 大埋深高地应力隧洞围岩稳定性分析

4．1 数值计算模型

4．1．1 计算范围及数值模型

4．1．2 边界条件及初始地应力

4．1．3 岩体本构模型及参数

4．2 隧洞开挖围岩稳定性评价

4．2．1 隧洞围岩位移场分布特征

4．2．2 隧洞围岩应力场分布特征及塑性区分布演化特征

4．3 基于能量的隧洞围岩稳定性分析

4．3．1 隧洞围岩的弹性应变能及能量释放率

4．3．2 基于能量的岩爆预测

4．4 本章小结

第5章 锚杆参数及支护时机对隧洞围岩稳定性的影响分析

5．1 锚杆长度对围岩稳定性的影响分析

5．1．1 隧洞围岩位移变化规律

5．1．2 隧洞围岩应力变化规律

5．1．3 锚杆轴力变化规律

5．1．4 隧洞围岩塑性区体积变化规律

5．1．5 隧洞围岩能量释放变化规律

5．2 锚杆预应力对围岩稳定性的影响分析

5．2．1 隧洞围岩位移变化规律

5．2．2 隧洞围岩应力变化规律

5．2．3 锚杆轴力变化规律

5．2．4 隧洞围岩塑性区体积变化规律

5．2．5 隧洞围岩能量释放变化规律

5．3 初期支护滞后距离对隧洞围岩稳定性的影响分析

5．3．1 隧洞围岩位移变化规律

5．3．2 隧洞围岩应力变化规律

5．3．3 隧洞围岩应力松弛变化规律

5．3．4 锚杆轴力变化规律

5．3．5 隧洞围岩塑性区体积变化规律

5．3．6 隧洞围岩能量释放变化规律

5．4 本章小结

第6章 基于现场监测的隧洞围岩稳定性评价

6．1 隧洞围岩监测方案及布置

6．2 隧洞围岩监测结果及分析

6．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文及科研成果