某软岩水工隧洞围岩地应力分布规律及对围岩稳定性的影响.pdf

年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:蒋 倩男工程师主要从事水利水电、市政水环境研究某软岩水工隧洞围岩地应力分布规律及对围岩稳定性的影响蒋 倩(中国水利水电第五工程局有限公司四川 成都)摘要:采用水压致裂法对某软岩水工隧洞进行地应力测试并利用 数值模拟分析主应力方向和大小对隧洞围岩位移、塑性区等破坏特征的影响 结果表明:随埋深增加最大水平主应力、最小水平主应力及垂直应力基本均呈线性增加 随主应力方向与隧洞轴向夹角、主应力大小增大破坏程度逐渐严重深埋软岩隧洞围岩预留变形量约为 、中等挤压变形程度 研究成果可供类似围岩稳定性评价、设计、施工参考关键词:软岩隧洞水压致裂法高地应力数值模拟围岩稳定性中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:该引水隧洞类围岩为三叠系上统杂谷脑组上段()的灰色中厚 厚层变质砂岩夹板岩岩层产状总体为 /、类围岩为三叠系上统杂谷脑组上段()的灰色中厚 厚层变质砂岩夹板岩岩层产状总体为/软岩是工程性质软弱并常常导致工程地质问题或灾害的多种岩石类型的总称具有开挖应力扰动范围大、变形量高、流变性突出等特征 随着相关地下工程不断向深部发展高应力作用显著软岩变形破坏问题更加突出从无到有、从低到高给围岩稳定性问题带来了极大的挑战 地应力是在地质历史时期形成于地层岩体中的天然应力一般认为是重力和地球板块历次构造运动发展的结果对围岩稳定影响很大 地应力现场测试为工程岩体力学属性、围岩稳定性分析、地下工程开挖设计科学化提供了必要前提条件其中水压致裂法和应力解除法是最为常用的 种原地应力测试方法某大渡河水电站有压引水隧洞长约.圆水 电 与 新 能 源 年第 期形洞径.间距 最大埋深 石英云母片岩地层长约 单轴抗压强度 以类围岩为主局部、类围岩 本文以某深埋软岩隧洞为背景采用水压致裂法获取了该区域地应力场分布特征在此基础上利用 数值模拟分析地应力大小及方向对隧洞开挖变形、塑性区特征及围岩稳定性的影响 现场地应力场测试.水压致裂法地应力测量原理水压致裂法具有无需知道岩石的力学参数、操作简便、测量速度快、测量值可靠等特点成为国际岩石力学学会推荐的地应力测试方法之一 水压致裂法地应力测试是将 对可膨胀橡胶封隔器放置在待测部位封隔一段钻孔然后泵入高压水至其孔壁产生破裂最后根据数据采集系统记录的压力 时间曲线及印模器裂缝方位计算地应力大小及方向 通过压裂曲线可直接得到破裂压力、裂缝重张压力、瞬时关闭压力、孔隙水压力 利用弹性力学相关理论计算最大水平主应力、最小水平主应力、垂直应力 及岩体抗拉强度、为岩石容重、重力加速度和埋深 ().地应力测试结果为掌握隧洞段应力分布状态自下游厂房向上游掘进试验隧洞轴线方向为 与主体隧洞基本平行分别在、号孔共 个测点进行水压致裂地应力测试钻孔为向上垂直孔孔深 钻孔布置孔位点位于进口、中段、出口可有效推断不同埋深层岩石应力测试结果见表 表 现场地应力测试结果表测点编号桩号/埋深/压裂参数/主应力值/侧压系数/方向 号孔.号孔.号孔.号孔.号孔 .注:为岩体破裂压力为裂缝重张压力为裂缝瞬时关闭压力为静水压力为孔隙水压力 为岩体拉张强度为最小水平主应力为最大水平主应力为自重应力密度 ./.地应力分布规律)见图 随着隧洞埋深的增加最大水平主应力、最小水平主应力 及垂直应力 基本均呈线性增大其中最大水平主应力 增加趋势显著最小水平主应力 相对缓慢随着埋深的增加侧压系数(/、/)逐渐下降且降低幅度越来越小深部条件下侧压力系数趋于稳定水平应力一直是最大主应力自重应力逐渐由最小主应力变为中间主应力)埋深 时(号测点)最大水平主应力 为.属中等地应力区以水平构造应力为主埋深在 (号测点)最大水平主应力 为.属高地应力区构造应力与自重应力叠加作用以构造应力为主)埋深 时(号测点)最大水平主应力 方向为 与隧洞轴线方向夹角较小()基本接近平行埋深 时(号测点)最大水平主应力 方向为 基本偏转大角度相交()该区域受构造应力影响严重局部地应力差异较大)根 据 工 程 岩 体 分 级 标 准()隧洞最大地应力 为.岩石单向抗压强度 为 /时变形量逐渐转向顶底板位置塑性区单元数随着夹角增大先降低后增加且大角度下其增加趋势逐渐减弱夹角为时塑性区单元数最小夹角为 时塑性区单元数最大 个 因此尽量使最大水平应力方向与隧洞轴向一致图 主应力方向对隧洞变形量及塑性区范围的影响水 电 与 新 能 源 年第 期.最大主应力大小的影响不同最大水平主应力大小下(埋深)隧洞围岩变形量及塑性区面积分布如图 所示 随着主应力大小不断增大隧洞围岩变形量、塑性区面积均呈增加趋势当主应力达到.(埋深 )时两边墙变形量、顶底板变形量及塑性区单元数达到最大值分别为.、.、个主应力较小时(.)变形量增加幅度基本不变近似呈线性增加主应力较大时变形量增加幅度逐渐增大呈非线性增加顶底板变形量增加幅度大于两边墙主应力较小时两边墙变形量相对较大高地应力作用下顶底板变形量逐渐减小围岩塑性区单元数随主应力增大基本呈线性增加图 主应力大小对隧洞变形量及塑性区范围的影响.隧洞围岩稳定性评价根据以上模拟结果当埋深 时三类围岩最大水平主应力方向与隧洞轴向夹角 埋深小、接近平行变形量、塑性区范围较小参照 挤压变形等级划分方法浅埋软岩隧洞围岩稳定性整体较好当埋深 时三类围岩最大水平主应力方向与隧洞轴向夹角 埋深大、接近垂直两边墙变形量、顶底板变形量、塑性区深度分别为.、.、.围岩预留变形量约为 隧洞围岩变形与开挖半径比值约为.中等挤压变形程度深埋软岩隧洞整体稳定性差 结 语)随埋深增加最大水平主应力、最小水平主应力 及垂直应力 基本均呈线性增大侧压系数 逐渐下降并趋于稳定自重应力逐渐由最小主应力演变为中间主应力 埋深较小时最大水平主应力.方向 中等地应力区埋深较大时最大水平主应力.方向 高地应力区)随着主应力方向与隧洞轴向夹角不断增大变形量逐渐增加、塑性区范围先降低后增加变形量由两边墙逐渐转向顶底板位置变性破坏程度不断增大随着主应力(埋深)增大变形量、塑性区面积均增加且高地应力下其增加幅度更为明显)深埋软岩隧洞两边墙变形量、顶底板变形量、塑性区深度分别为.、.、.围岩预留变形量约为 围岩变形与开挖半径比值约为.深埋软岩隧洞围岩整体稳定性差采用超前支护和喷混凝土、钢支撑及时设置支护并进行慎重的施工管理参考文献:谢和平 高峰 鞠杨.深部岩体力学研究与探索.岩石力学与工程学报 ():彭建兵 崔鹏 庄建琦.川藏铁路对工程地质提出的挑战.岩石力学与工程学报 ():袁木 肖明.软岩引水隧洞拖工开挖过程围岩变形规律研究.水力发电 ():潘飞 程圣国 林姗.高地应力软岩隧道施工工法数值分析与研究.长江科学院院报 ():刘嫦娥 寇媚嘉 牟春来.某水电站地下厂房洞室支护设计.水电与新能源 ():田洪铭 陈卫忠 谭贤君 等.高地应力软岩隧道合理支护方案研究.岩石力学与工程学报 ():李永乾 朱哲明 胡荣.主应力方向对隧道稳定性影响规律的 研 究 .四 川 大 学 学 报:工 程 科 学 版():黄龙现 杨天鸿 李现光 等.地应力场方向对巷道围岩稳定性的影响.中国矿业 ():张百红 韩立军 韩贵雷 等.深部三维地应力实测与巷道稳定性研究.岩土力学 ():孙东生 丰成君 许洪斌 等.大台沟矿区深孔水压致裂原地应力测量及应用.中南大学学报:自然科学版():杜建军 陈群策 安其美 等.陕西汉中盆地水压致裂地应力测量分析研究.地震学报 ():陶波 伍法权 郭啟良 等.高地应力环境下乌鞘岭深埋长隧道软弱围岩流变规律实测与数值分析研究.岩石力学与工程学报 ():孟庆彬 韩立军 乔卫国 等.基于地应力实测的深部软岩巷道稳定性研究.地下空间与工程学报():.():():