高地应力水工隧洞节理围岩稳定及支护措施研究

来源 :石河子大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wang8550cimc
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地下空间进行开发利用的首要任务是地下工程围岩的稳定性分析,由于地质结构的复杂性和岩体节理裂隙的发育,导致模拟分析时具有很大的不确定性和挑战性。对深埋高地应力水工隧洞节理岩体的稳定性及支护措施进行研究十分有意义。本文结合新疆某深埋高地应力引水隧洞,采用现场监测与数值模拟相结合的手段,分别对高地应力引水隧洞节理岩体的稳定性、开挖后的衬砌结构的受力特性及节理特征对深埋高地应力引水隧洞围岩稳定性的影响进行研究,并提出了较为合适的支护措施,主要研究工作及结论如下:(1)在深埋隧洞开挖过程中,高地应力和结构面的发育是控制洞室围岩稳定性的关键问题,通过现场监测得,实测最大主应力在12.40~12.90 MPa;通过离散元软件3DEC模拟围岩应力场、塑性区以及位移场的变化情况,结果显示,洞室附近出现0~2.10 m的塑性区,塑性区主要集中在侧墙和拱底,洞周最大位移值为25.10 mm,最大压应力为13.20 MPa,局部小范围出现拉应力。由于模拟选取的是最不利结构面,故模拟结果较实测结果略微偏大,目的是为了更好的为洞室安全提供保障,模拟结果与实测结果较为一致。基于以上研究成果,通过Russenes岩爆判别式得无岩爆发生,考虑到随节理裂隙发育,侧墙和拱底处易发生破坏,故建议采用支护措施。(2)以新疆某工程为研究背景,在节理裂隙发育洞段进行试验研究,由于节理裂隙发育、地应力较高,试验洞在开挖后洞周变形值在51.37~66.73 mm,隧洞洞周以剪切破坏为主,塑性区最大约3.90 m,需对隧洞进行支护以确保洞室稳定性,考虑到支护时机对支护效果的影响,本文模拟了两种极端时间,即开挖后待变形稳定后进行衬砌和开挖后立即衬砌。结果显示,开挖后待变形稳定后对洞室进行普通衬砌,最大变形量减少了51.67%,最大水平位移减少了46.87%,最大垂直位移减少了41.02%;开挖后立即进行衬砌,围岩变形相比于开挖后待变形稳定进行支护的变形量减少了58.94%~76.31%,故开挖后立即支护更有利于洞室稳定的,为工程施工提供参考价值,因此,工程中常采用边开挖边支护的方式进行施工。(3)不同支护时机下,洞周浅部围岩应力均得到了改善,洞周岩体稳定性得到保证,但在高地应力、节理发育等条件下,衬砌结构难保持长期的稳定,衬砌结构产生较大拉应力发生破坏,故需进行二次支护,二次支护后,衬砌结构受到最大拉应力为0.89 MPa,小于混凝土抗拉强度,衬砌结构受力满足要求,与现场监测进行二次支护后,衬砌结构最大拉应力为0.90 MPa,较为一致,研究结果为工程实践提供参考。(4)考虑到节理特征影响深埋高地应力引水隧洞的稳定性,本文结合工程实际,采用数值模拟研究了节理倾角对深埋高地应力引水隧洞洞周岩体稳定性的影响,模拟结果表明,当节理倾角较小时,变形主要集中在侧墙和拱腰处,随节理倾角的增大,洞周岩体位移量呈先减小后增大的趋势,节理倾角为0°时,位移主要集中在侧墙和拱腰附近,最大位移为30.60 mm,相比其他倾角时位移值最大,最不利于岩体稳定性。
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