高等岩石力学 高地应力区隧道岩体工程问题 邓荣贵(6)

2019-04-17 14:42

围岩自承作用;内层结构应有足够刚度,以抵抗由于长时间流变产生的地层荷载,如采用U29型可缩式钢架、喷混凝土在纵向留纵缝、同时加厚喷混凝土厚度;(5)提高模注混凝土衬砌刚度,如加大衬砌厚度、采用高强度衬砌材料;(6)加强仰拱,加强隧道底部,并使衬砌及早封闭,防止隧底上臌。卿三惠根据乌鞘岭特长隧道的变形规律也提出了类似的控制措施,取得了较好的成效。

刘泉声阔认为,要维护巷道的稳定,首先必须在巷道开挖后尽快恢复和改善围岩的应力状态,将巷道开挖后因二次应力:调整形成的二向应力状态恢复到三向应力状态。并认为适当的锚杆布置方式对巷道的稳定产生一定的影响,采用锚杆与滑移面呈±22.5°布置的支护效果好,光面爆破是确保高强锚杆有效支护的一项关键技术措施。当在巷道掘进开挖过程中遇有明显渗水时,应立即停止掘进,采用渗透性好、固化快、固结强度高的注浆材料进行工作面超前注浆,对一定深度内的围岩进行固结处理,以堵死水流通道、遏制孔隙压力降低及有效应力增大,同时提高围岩完整性和整体强度。

周宏伟等采用数值模拟及现场实测得出目前的施工工艺是先安装锚杆后喷浆,岩石因安装锚杆和挂网而长时间暴露在空气中,往往由于风化变得疏松,且水的作用使岩层膨胀,锚杆和喷层都可能因岩石质量的恶化而失效。提出实行先喷后锚,即巷道掘进后立即喷射混凝土,及早封闭围岩,并在混凝土中加钢纤维提高支护效果,然后再安装锚杆和挂网,完成一次支护。

何满潮等结国内外的研究现状得出软岩防治措施主要有加强稳定掌子面、加强基脚及防止断面挤入、防止开裂的锚、喷、支,分断面开挖等。

姜耀东等将控制巷道底臌的防治方法概括为加固和卸压2大类,其加固方法中包括带底拱的U型钢可缩性支架、混凝土谴和弧板等全断面支护法以及底板锚杆、底板注浆和锚注结合等加固法2类。卸压方法有巷道周边卸压法,如帮底开卸压槽和底板深部松动爆破等。

吴和平等分析了在高应力下软岩巷道变形破坏机理后提出了4条支护措施:重视巷道断面设计和断面,合理设计底拱矢跨比,做好排水管理,特殊情况加大支护强度;预留卸压,留有一定的卸压空间,允许巷道周边应力峰值向围岩深处转移;科学、合理地选择支护材料和支护参数,采用强度和长度合理的不同种类锚杆,并设计与之配套的托盘等附属构件;采用“锚喷网+注浆加固”支护技术,

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选择合理的施工工艺,一、二次支护融为一体。

李永林根据在二郎山隧道大变形的成功经验总结出治理大变形的治理原则为:(1)打入足够数量和长度的锚杆,穿越产生台阶台降的剪切错动破坏面,增强围岩抗剪切变形的能力;(2)采用分断面或半断面开挖施工方法,控制开挖面积小于产生大变形破坏的“临界”开挖面积;(3)对于很难处理的地段,可对地应力的主强方向凿洞导流,减少地应力对工程隧道围岩的地应力作用;(4)合理使用辅助方法,如加强稳定掌子面,加强基脚等。

相关规范提出了二次衬砌的施作时机以达到控制大变形的目的。何满潮提出了软岩巷道最佳支护时间的概念,刘志春等提出了二次衬砌施作时机的确定方法,便是该方法要求在现场量测数据统计分析后,要对施工总位移进行估算,经验要求较高。

由此可以得到,对于大变形隧道防治可以根据破坏机理不同,采用不同的治理措施,对于膨胀性围岩主要是防止水浸入岩体内,对于高应力条件下的挤压性围岩主要采用加固围岩,恢复其原始地应力条件及卸压降低地应力等级等措施,但是关键的一点是大变形的防治必须在弄清大变形的机理后方能更有效地进行,在考虑开挖的时空效应基础上,充分发挥围岩的自身的强度以达到最理想的支护效果。

4 存在的问题

在岩爆机制研究方面,缺乏针对现场岩爆特征的地质力学模式,因此,岩爆的预测防治往往针对性不强,预测不够准确。

在岩爆预测方面,没有充分考虑岩体结构特别是显微结构对岩爆的影响;在实际的工程应用中,更没有将其作为评判因子之一来综合预测岩爆发生的烈度级别;在现有的研究中大多是对沉积岩、变质岩、及侵入岩,而对流纹岩这类溢出岩与岩爆的关系研究很少。

在大变形方面,目前对大变形还没有明确和统一的定义;在大变形分类方面其理论和实践在认识上不统一,有针对软岩或膨胀性软岩,有针对高地应力条件下的软岩;预测方法单一,可靠性低,没有将各种地质因素综合考虑来预测大变形,在施工中的预测中没有考虑隧道开挖的时空效应。

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岩爆及大变形的产生均与地应力紧密相关,但是地应力的准确获得方法有限,物别是在前期论证阶段更不容易得到。

5 学习高等岩石力学的思考

5.1 收获

本人在导师何川教授的建议下选择高等岩石力学这门课,觉得这门课是基础但又非常重要的课。通过这学期的学习,本人学习到了很多有用的知识,主要知识点有以下几点:

1.工程岩石的地质特性和工程岩体分级,影响岩体工程性质的主要因素有岩石质量、岩体的完整性、岩石风化和水的作用,又结合其本科所学的RQD法(岩体质量指标);

2.学习到室内岩块试验分析方法,主要有岩块的单轴抗压试验和岩块三轴压缩试验,其中三轴压缩试验分为:静水压缩?1??2??3、常规三轴压缩?1??2??3和真三轴压缩?1??2??3;

3.对岩体天然应力有了全面认识。岩体天然应力等于自重应力与构

?3??v??z??造应力的叠加,因此,岩体天然应力在浅部为:?2???z??Th?,在深部

?1???z?Th???3??z??Th??为:?2???z??Th?。

?1???z?Th??岩体天然应力的测试方法按测试空间分为钻孔内测试及洞内测试和洞内钻孔测试。钻孔中的测试又分为孔径变形法和孔壁应变法。

4.了解了岩石的变形及其影响因素。岩石的变形分为岩石单调加载条件下的变形、循环加载条件下的变形。

其中,我对循环加载条件下的岩石变形留下了深刻印象。在对岩石加载过程中,反复的加载~卸载,变形曲线升降交替出现。岩石显示出如下特征:1.循环荷载较小时,岩石达到破坏时所需要的循环次数较多,反之循环次数少;2. 循

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环荷载越大,岩石破坏前的循环次数越少;3.同样的循环荷载下,随着循环次数的增加,单次循环荷载所产生的应变增大,总应变中弹性变形量减小,塑性变形量增加,即加载曲线变缓,卸载曲线变陡。

5.岩体的变形与强度,一方面取决于它的受力条件;另一方面受岩体本身结构特征及赋存条件,即①组成岩体的岩石材料性质、②岩体中结构面力学性质、③岩体中结构面组合情况,即岩体结构类型,以及④赋存环境的影响,特别是地下水及地应力的影响。利用承压板试验,以及“弹性力学”半空间体界面上的法向有限面上的分布力公式E0?pb(1??2)??0,进行岩体变形测试。

明白了岩体的强度取决于岩块的强度(岩石强度)及结构面的强度,结构面的强度与各种因素有关,如结构面与最大主应力的关系、结构面形态、充填物特征和结构面本身的抗剪强度等。

6.掌握了四种岩石的强度理论:抗拉强度理论、莫尔强度理论、D-P强度理论和格里菲斯强度理论。其中,格里菲斯强度理论从能量释放和应力集中角度去分析,提出了能量法则和应力法则。

7.作为一名隧道专业的研究生,也在这门课上学习到隧道工程中的岩石力学问题。隧道开挖后将产生包括流变在内的变形,当围岩中应力状态超过岩石的承载能力时将会破坏失稳,如果衬砌了围岩就会产生作用在衬砌上的压力,即围岩压力。围岩压力可分为:形变围岩压力、松动围岩压力。因此,围岩压力与原始地应力状态、围岩物理力学特性、岩体结构、支护结构的刚度与强度和支护时间有关。

8.掌握了边坡(斜坡)工程和地基工程中的岩石力学问题。边坡破坏的基本类型有崩塌、滑坡、溜滑,其机理是蠕滑拉裂(坡顶或后缘)、滑移压致拉裂(近水平岩层)、蠕变弯曲破裂型(顺倾或反倾边坡)。针对由两个结构面组成滑面的滑体,且滑动体为完整岩体(刚体),可以采用等K法、非等K法和刚体平衡法。在地基工程中,探讨了岩石地基中应力及竖向承载力、水平荷载作用及水平向承载力。作为均质岩石地基其地基附加应力,地基变形和破坏类型及机理与土力学中的地基问题类似。岩石地基承受水平向荷载的情况虽然没有竖向荷载的情况多,但还是普遍存在的。对于重力坝可以作为平面问题处理,实际工程中坝基结构有四类典型情况

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最为重要的是,除了专业知识的学习,还学习到以岩石力学角度解决问题的思维方式,要以扎实的专业知识去解决工程实际中的问题,将实际工程问题与理论知识进行关联分析,善于运用所学找到产生机理和原因、更好的解决问题,发挥高等岩石力学这门课的作用。

5.2 对课程的希望和建议

尽管通过这门课学到许多岩石力学相关的知识,但是觉得有如下可以改进,以更好的提升此门课的效果:

1.高等岩石力学明显不同于本科土力学所学的基础知识,感觉突然上升一个层次,希望能多布置点课后的学习任务,加强与课堂学习的互动联系,更好的理解吸收课堂知识。

2.希望老师上课把word中扫描的图片转化为文字,或尽量用PPT,既能清晰让同学看到,也能醒目、增大印象。

3.可以偶尔随堂布置下作业,增加互动,调动课堂上的积极性,要不有的同学不够投入。尽管研究生强调课后时间的自主权,我觉得偶尔督促也是有好处的。

4.建议老师在上课时尽量讲普通话,虽然老师用四川话授课可以增加我们的四川话水平,有利于以后在四川接触工程实际,但课堂效率会比较低。

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