地下工程

从岩石力学角度,地下工程实践中围岩潜在破坏模式可以概括地划分为三大类,结构面控制性问题、软岩大变形问题、深埋高应力问题,分别指结构面、岩性、地应力占据控制性因素。其中结构面控制性问题多出现在硬质岩石条件下的浅埋大跨度洞室,如水电站地下厂房,深埋高应力也往往针对硬岩,但埋深导致的地应力水平占据优势地位。
Itasca(武汉)咨询有限公司具备数十个大型地下工程的科研和实践经验,这里仅罗列其中几个不同性质问题,介绍核心问题和解决途径。
 

地下工程经典案例


 

浅埋大跨度洞室

  • 硬质岩石条件下浅埋大跨度洞室围岩变形和稳定受到结构面控制,属于典型的结构面控制型问题,分析工作需要采用能够模拟大量结构面的三维计算程序如3DEC。从2004年起,该程序被广泛应用于乌江彭水、向家坝、白鹤滩等水电站厂房围岩稳定研究
  • 在总结既往应用成果基础上,2014年针对深圳抽水蓄能电站地下厂房施工期动态科研时,首次直接模拟了现场编录的节理,形成确定性节理网络(左图上),从而可以更好地利用现场监测数据拟合分析结构面刚度取值,可靠评价结构面变形对支护安全的影响
  • 研究表明,硬岩条件下硬性节理刚度受到延伸长度的影响,该工程节理刚度取值比层面(彭水)高100倍,比白鹤滩长大裂隙高10倍
深埋高应力问题
  • 最大埋深达到2525m的锦屏二级深埋隧洞在掘进过程中遭遇了破裂松弛、岩爆破坏等现象的干扰,从力学分析角度,分布对应于岩体破裂和破裂扩展特性(峰前阶段)和峰后阶段的非线性特征
  • 破裂问题直接影响开挖面附近锚杆长度的设计,研究工作采用PFC先拟合已开挖部位破裂特征,然后分析深埋段围岩破损深度,认为2000m埋深以内,TBM掘进时仍然可以使用3m长短锚杆,工程采用后有效发挥了TBM的掘进效率
  • 特殊条件下的岩爆破坏严重挑战着该工程的施工安全乃至直接影响工程成败,Itasca团队为该工程制定了可行方案并指导现场实施,有效控制了岩爆的不良影响,是隧洞提前6个月贯通的关键,左图中系锦屏二级工程首次采用的应力解除爆破设计方案
软岩塑性大变形
  • 长隧洞/道工程往往会遇到软岩挤压大变形问题,从分析的角度,Hoek经验方法、CCM解析方法、FLAC/FLAC3D数值方法都可以提供可靠的结果。其中的关键之一是评价临界变形量,将围岩变形控制在临界值以内时支护设计和施工的基本目标
  • 相比较“来得凶、去得快”的硬岩高应力破坏而言,软岩塑性大变形历时时间往往更长,但支护设计思想可以相互借鉴。一般程度乃至较强的挤压变形往往采用刚性支护、提高支护力进行控制,而强烈的挤压变形(收敛应变量超过5%)需采用柔性支护系统

 

大台沟铁矿工程

大台沟铁矿已探明矿体规模巨大,I 期开采最大宽度超过800m。无底柱分层崩落开采期间顶板围岩破坏发展过程和范围直接影响到矿山布置设计和移民搬迁计划,是前期阶段需要回答和论证的重点问题。
Itasca承担的研究工作从现场钻孔岩石力学RMR编录开始,采用Hoek方法获得岩体力学参数,并首次在国内使用Hoek-Cave本构模型,直观体现开采过程上部崩落破坏区的发生和发展过程及其对竖井等设施的影响。