地下洞室卸荷变形与破坏过程的应变监测与机理分析

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“一带一路”伟大战略的实施,激发了“一路”沿线几十个发展中国家潜在的大型基础设施建设需求,但值得指出的是,“一路”地区,受早期大陆板块撞击及板块挤压等构造运动作用影响,地质条件复杂、地应力分布相对集中,高地应力现象明显,因此,在后续“走出去”的几十年,我国将面临更多复杂条件下的岩石力学与工程问题。目前,在我国西部已建成的天生桥、二滩、瀑布沟、拉西瓦、锦屏Ⅱ级等水电站地下洞室群修建过程中,围岩稳定性问题突出,高地应力下,脆性硬岩快速卸荷变形,造成围岩开裂、片帮剥落、塌方、岩爆等不利现象时有发生,上述工程灾害的出现,不仅严重影响工程进度,造成资金损失,同时给洞室围岩稳定和人员设备安全带来严重威胁。但纵观国内外,对高地应力下地下工程围岩破坏机理的认识还很不够,如何保障施工建设进度、人员设备安全、工程结构稳定,同时达到理论指导实践、服务实践的最高愿景,仍然是亟待解决、值得重视的重大课题。  因此,基于上述的研究背景及不足,本文在加强高地应力下,围岩变形与破坏全过程监测,完善基于现场监测数据实例、结合统计、数值计算手段基础上的围岩稳定性分析,实现工程实时预警和爆破开挖设计方案动态优化方面,开展了系统深入的研究,具体研究成果如下:  (1)基于FCS理论和GPRS分组无线传输技术,提出了一种新型地下工程远程在线遥测系统构架方式,包括监测数据的采集传输子系统、管理分析子系统、远程接收子系统三个部分,进一步基于该构架方式,结合地下工程几何特征及线路传输鲁棒性要求,扩展补充了单联式、串联式和并联式三种特定组网方法,最后详细阐明了山岭隧道内远程在线遥测技术的信号采集、传输与后台处理原理。  (2)以围岩塌方风险较高的大狮子隧道(宁波地区在建最长的公路隧道)为依托,运用该系统对大狮子隧道围岩变形、锚杆应力,围岩与钢拱架之间喷层压应力开展了全天候实时高频监测,并采用“服务器+客户端”模式,实现了采集数据远程同步高速传输与多单位实时监控。其次,通过分析高频采集数据后获得的监测量时程曲线(变形、应力、压力),发现大狮子隧道的围岩变形,在整体变化趋势上呈现出一种台阶式的波动增长变化规律,受爆破开挖影响后变形值产生突变;同时围岩变形与喷层压力值受后续隧道开挖扰动的波动影响较大,但总体变化趋势上基本经历了“前期快速变化-中期缓慢变化-后期逐步稳定”三个阶段。大狮子隧道近一年的远程在线监测实践表明,本技术可完全实现地下工程围岩稳定性的远程遥测和无人值守预警,具有良好的应用前景。  (3)运用根式组网,开展了深部大型地下工程厂房与母线洞交叉洞室区域围岩变形、应变高频远程在线监测,进一步基于应变、变形监测数据,结合工程开挖行为、二次应力调整规律,总结了深部地下工程厂房与母线洞交叉区域围岩的时效变形规律,细致分析了时效变形三个阶段的变化特征,阐明了地应力、施工行为、工程支护是主导围岩时效变形的关键因素,同时系统论述了三个因素的作用机制。  (4)基于现场高频采集数据,对深部地下工程厂房与母线洞交叉区域,爆破前后变形量值的突变增长变化、作用、持续时间展开系统分析,揭示了变形时程曲线呈“台阶式”增长变化规律,继而进一步探讨了爆破荷载的动力冲击作用、开挖下地应力的快速释放、应力调整下围岩节理、裂隙的开裂闭合,对围岩变形“台阶”高度的影响。  (5)基于现场高频采集数据,运用统计分析原理,探讨了爆炸荷载与地应力瞬态卸荷复合作用下,白鹤滩地下厂房与母线洞交叉区域围岩的应变演化表现出“高度”、“深度”、“水平距离”效应,概括为距爆破源直线距离越近,量值突变速率越快、增长量值越大,同时进一步在上述分析的基础上,对白鹤滩右岸厂房爆破参数提出了优化。  (6)采用数值模拟方法,对交叉洞室环向开裂破坏机理展开分析,通过计算模拟母线洞关键点三个主应力,随分层开挖的应力调整、分布规律,得出母线洞四面临空的特殊空间位置特征,造成厂房施工过程中出现垂直于母线洞洞轴线平面上的加载和沿母线洞轴线方向向厂房侧的卸荷过程,是导致母线洞围岩或喷砼出现环向裂缝的本质原因,此外,发现不良的地质构造对裂缝的发展具有助推作用。  (7)基于统计手段,对白鹤滩水电站右岸厂房拱项区域喷层开裂的空间分布与时间发展特征进行了研究,得出不利地质构造和开挖卸荷的组合作用对喷层开裂分布具有主导作用的认识,同时探讨了喷层时效开裂与分层开挖支护的相互作用机制,进而依据喷层开裂机理的不同,对现场喷层破坏类型进行了归纳划分,最后采用数值计算手段,建立三维几何模型,结合参数智能反演,对现场喷层破坏现象进行数值模拟,通过模拟结果应力、变形云图,发现与现场喷层破坏存在很好的对应性,进而结合数值计算结果,参考相关研究成果,提出了喷层开裂的临界应变值。
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