深部洞室破坏机理与围岩稳定分析理论方法及应用 张强勇 等 建筑学土木工程专业书籍 施工技术管理图书 科学出版

深部洞室破坏机理与围岩稳定分析理论方法及应用
	曾用价	(咨询特价)
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	(咨询特价)年06月
	开本	16
	著编译者	张强勇 等
	页数	324
	ISBN编码	65

　　本书系统研究深部洞室分区破裂的产生条件与影响因素，建立了基于应变梯度的分区破裂力学模型和能量损伤破坏准则，发展了分区破裂数值分析方法，阐明分区破裂的力学成因与破坏机制。提出地下洞室初始地应力场反演方法，建立大型地下厂房洞室群施工期围岩力学参数动态反演与分析方法。通过三维地质力学模型试验探索了超深埋碳酸盐岩油藏溶洞的成型垮塌破坏机制，分析不同形态、不同尺寸溶洞的垮塌破坏过程与垮塌影响范围，揭示缝洞型裂缝闭合规律，形成深部岩体洞室破坏机理与围岩稳定分析理论与方法体系。本书注重理论、方法与工程实践的紧密结合，提出的试验方法、建立的理论模型和编制的计算程序皆成功应用于实际工程，并有效指导工程实践。

目录
《岩石力学与工程研究著作丛书》序
《岩石力学与工程研究著作丛书》编者的话
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外研究现状分析 3
1.3 本书主要研究内容及成果 12
第2章 深部洞室分区破裂模型试验 14
2.1 引言 14
2.2 模型相似材料 14
2.3 模型试验系统研制 17
2.4 分区破裂地质力学模型试验过程与方法 21
2.4.1 模型试验方案 21
2.4.2 模型制作方法 23
2.4.3 模型量测方法 25
2.4.4 模型加载与开挖方法 27
2.5 分区破裂的产生条件 29
2.5.1 模型洞周破裂现象的对比分析 29
2.5.2 模型洞周位移和应变变化规律 36
2.5.3 深部洞室分区破裂的产生条件 39
2.6 分区破裂的影响因素 41
2.6.1 洞形和地质构造分布的影响 41
2.6.2 分区破裂影响因素分析 52
2.7 模型试验与现场观测结果对比 52
2.8 本章小结 53
第3章 深部洞室分区破裂的理论分析 55
3.1 引言 55
3.2 应变局部化与分区破裂现象 55
3.3 应变梯度性损伤本构关系 57
3.3.1 应变梯度和高阶应力的引入 57
3.3.2 应变梯度性损伤本构关系推导 60
3.4 基于应变梯度的分区破裂非线性性损伤软化模型 64
3.4.1 岩石材料非线性损伤演化规律 64
3.4.2 分区破裂非线性性损伤软化模型 68
3.4.3 深部巷道分区破裂位移平衡方程推导 71
3.5 深部圆形巷道位移和应力求解与模型试验对比分析 74
3.5.1 圆形巷道位移和应力求解方法 74
3.5.2 理论计算与模型试验结果的对比分析 78
3.6 本章小结 80
第4章 深部洞室分区破裂数值模拟方法 82
4.1 引言 82
4.2 分区破裂能量损伤破坏准则 82
4.2.1 岩石破坏与能量耗散 82
4.2.2 基于应变梯度的单破坏准则 83
4.3 分区破裂数值模拟分析方法 86
4.3.1 本构方程的矩阵形式 86
4.3.2 高阶六面体单的构建 88
4.3.3 分区破裂单破坏的判定方法 98
4.4 依托ABAous平台的分区破裂计算翟序开发 99
4.5 分区破裂数值模拟结果及分析 104
4.5.1 圆形巷道分区破裂数值模拟 104
4.5.2 含软弱夹层洞室分区破裂数值模拟 108
4.5.3 非圆形洞室分区破裂数值模拟 112
4.5.4 *大主应力对洞室破裂方式的影响 119
4.5.5 洞室形状对分区破裂的影响分析 121
4.6 深部洞室分区破裂的形成机理 123
4.7 本章小结 125
第5章 地下洞室初始地应力场的反演方法 126
5.1 引言 126
5.2 初始地应力的影响因素 127
5.3 初始地应力回归分析与拟合方法 129
5.4 双江口水电站地下厂房厂区初始地应力场的反演 131
5.4.1 数值计算模型 131
5.4.2 岩体计算参数 132
5.4.3 地下厂房厂区初始地应力实测结果分析 133
5.4.4 地下厂房厂区初始地应力的回归分析 134
5.4.5 地下厂房厂区初始地应力函数 136
5.5 大岗山水电站地下厂房厂区初始地应力场的反演 138
5.5.1 工程概况 138
5.5.2 初始地应力实测结果 139
5.5.3 地应力反演计算条件 142
5.5.4 实测地应力的转换 143
5.5.5 地下厂房厂区初始地应力回归分析 144
5.5.6 地下厂房厂区初始地应力函数 147
5.6 本章小结 149
第6章 大型地下厂房施工期围岩力学参数动态反演与开挖稳定性分析 151
6.1 正交设计效应优化位移反分析法 151
6.1.1 正交试验设计 151
6.1.2 反演目标函数 153
6.1.3 效应优化分析 153
6.1.4 力学参数反演流程与计算步骤 155
6.2 大岗山地下厂房围岩力学参数动态反演分析 157
6.2.1 数值计算模型 157
6.2.2 地下厂房第七层开挖围岩力学参数的动态反演与分析 159
6.2.3 地下厂房第八层开挖围岩力学参数的动态反演与分析 169
6.2.4 地下厂房第九层开挖围岩力学参数的动态反演与分析 180
6.2.5 洞室锚杆与锚索受力分析 189
6.3 本章小结 196
第7章 超深埋缝洞型油藏溶洞垮塌破坏机制与储油裂缝闭合规律研究 198
7.1 引言 198
7.2 塔河油田超埋深碳酸盐岩力学试验 198
7.2.1 现场取样与标准试件制备 199
7.2.2 碳酸盐岩力学参数测试 204
7.2.3 碳酸盐岩微细观破裂机制 208
7.3 超深埋碳酸盐岩溶洞垮塌破坏三维地质力学模型试验 210
7.3.1 超高压智能数控真三维加载模型试验系统的研制 211
7.3.2 模型试验设计方案 218
7.3.3 模型相似材料研制 219
7.3.4 模型加载方法与测试仪器布置 224
7.3.5 模型制作写测试方法 226
7.3.6 模型试验结果分析 229
7.3.7 模型试验研究结论 234
7.4 缝洞型油藏溶洞垮塌破坏的数值模拟 234
7.4.1 数值分析模型与计算条件 234
7.4.2 溶洞垮塌破坏判据 235
7.4.3 溶洞临界垮塌深度的二分深度折减法 236
7.4.4 不同洞形溶洞的垮塌破坏特征与垮塌影响范围 237
7.4.5 不同洞形溶洞临界垮塌深度的预测公式 243
7.4.6 不同洞形溶洞临界垮塌顶板厚度与临界垮塌洞跨预测公式 250
7.4.7 不同洞形溶洞垮塌多因素敏感性分析 253
7.4.8 不同洞形溶洞稳定性分析比较 257
7.5 缝洞型裂缝闭合规律的数值模拟分析 259
7.5.1 缝内降压速率对裂缝闭合规律的影响 259
7.5.2 裂缝倾角对裂缝闭合规律的影响分析 268
7.5.3 裂缝长度对裂缝闭合规律的影响分析 277
7.5.4 裂缝宽度对裂缝闭合规律的影响分析 284
7.5.5 地层降压幅度对裂缝闭合规律的影响分析 291
7.6 本章小结 296
参考文献 299

第1章 绪论
　　1.1 引言
　　随着浅部资源的日益减少以及人类地下生活空间的逐渐拓展，国内外许多地下工程已进入深部，无论是矿产资源开采的地下巷道、交通建设的地下隧洞还是水电开发的地下洞室皆已进入千米深度。据不完全统计，国外开采超千米深的金属矿山有百余座，其中以南非为*多，南非绝大多数金矿的开采深度在1000m以上，*大开采深度达到了3700m，另外，俄罗斯、加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山的开采深度也超过了1000m。我国淮南矿区丁集煤矿、新汶孙村矿、沈阳采屯矿、开滦赵各庄矿、徐州张小楼矿、北票冠山矿、北京门头沟矿等也已达到了千米以上的开采深度。在交通建设方面，连接法国和意大利的勃朗峰公路隧道的*大埋深为2480m，我国西康铁路秦岭隧道的*大埋深为1600m，秦岭终南山特长公路隧道的*大埋深为1640m；在水电资源开发方面，法国谢拉水电站引水隧洞的*大埋深为2619m，我国雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞的*大埋深达到了2525m。此外，核废料深层地质处置、油气能源储存工程以及核心防护工程如北美防空司令部的深度也已接近或超过千米[1]。
　　高地应力、高地温、高渗透压以及开挖扰动影响会导致深部洞室的力学响应完全不同于浅部洞室,随着地下洞室开挖深度的不断增加，深部洞室围岩出现分区破裂非线性破坏现象[2]。钱七虎院士[3]首次给出了分区破裂现象的定义：在深部岩体中开挖洞室或巷道时，其两侧和工作面前的围岩中会产生交替的破裂区和非破裂区，这种现象被称为分区破裂现象（zonal disintegration）。深部洞室分区破裂现象与浅部洞室破坏现象相比明显不同，浅部洞室开挖后，从洞壁向围岩内部依次是破裂区、塑性区、性区和原岩区；而深部洞室开挖后，围岩内出现破裂区和非破裂区多次间隔交替的分区破裂现象。深部洞室分区破裂的特殊性激起了国内外研究者的极大兴趣，分区破裂现象已经成为当今深部岩体工程领域研究的热点和难点科学问题。国内外许多学者针对分区破裂这一特殊现象提出了很多理论解释，但是到目前为止,还没有一种理论解释能够得到大家的普遍认可。关于分区破裂的产生条件、影响因素以及形成机理也没有完全揭示清楚，还需要进行更深入的研究。
　　初始地应力场是地下洞室围岩稳定分析的重要参数，初始地应力是否可靠将直接影响到地下洞室的设计与施工安全。工程现场实测地应力是提供岩体初始地应力*直接、*有效的方法，但由于时间、经费等因素的限制，不可能进行大量的测量，而且初始地应力场成因复杂，影响因素众多，测点相对分散，使得现场地应力量测结果具有较大的离散性。因此，必须在现场实测的有限测点初始地应力的基础上，通过反演分析得到适用范围更大的初始地应力场。由此可见，准确获取岩体初始地应力场是进行地下洞室围岩稳定性分析所必须面临的一个重要问题。
　　众所周知，数值分析方法对岩体力学参数十分敏感，由于岩体尺度效应的影响，无论是室内试验还是原位试验确定的岩体力学参数都与实际岩体参数存在一定的差异，因此用力学试验参数作为计算输入参数进行数值分析，所得结果往往与工程实际情况存在较大的误差。为克服岩体力学参数取值不准的缺陷，岩体力学参数反演就成为解决该问题的重要途径。大量研究表明，利用现场监测位移反演岩体力学参数是一个比较好的途径，通过地下洞室开挖监测位移来反演围岩力学参数，并据此对洞室围岩稳定性进行分析评价，这对确保地下工程施工和运行安全、规避地下工程重大事故风险具有重要的作用。
　　石油竖家经济发展的重要命脉。通过调查发现我国海相碳酸盐岩油气资源主要分布在新疆塔里木盆地和华北地区，其中缝洞型油藏占探明碳酸盐岩油藏储量的2/3，是今后石油增储的主要领域。缝洞型油藏的主要储集空间以古岩溶作用形成的溶洞洞穴和构造作用产生的次生裂缝为主，其中溶洞洞穴是*主要的储油空间，次生裂缝既是储油空间，也是主要的联通渗流通道。在碳酸盐岩油藏开采过程中，随着缝内地层压力下降，井下时常发生油藏溶洞垮塌和储油裂缝出油通道闭合的现象，这严重影响了油井开采量，为了提高石油采收率，并保证钻井作业安全，需要深入研究超深埋碳酸盐岩油藏溶洞的垮塌破坏机制，并探索高角度储油裂缝在复杂地层环境和采油状态下的闭合规律。
　　基于上述背景，本书系统研究了深部岩体洞室的破坏机理以及围岩稳定性分析理论与方法，主要研究内容如下：
　　(1） 开展了不同洞形和高地应力分布状态下深部洞室分区破裂三维地质力学模型试验，探讨了分区破裂的产生条件与影响因素，建立了基于应变梯度的分区破裂力学模型和分区破裂能量损伤破坏准则，提出了分区破裂数值分析方法，揭示了分区破裂的产生条件与破坏机理。
　　(2） 考虑地质构造运动和地形环境的影响，建立了岩体初始地应力多回归分析与拟合方法，有效反演获得了大岗山水电站地下厂房和双江口水电站地下厂房厂区的初始地应力场。
　　(3） 考虑施工期围岩力学参数的变化，建立了岩体力学参数正交设计效应优化位移反分析方法，动态反演得到大岗山水电站地下厂房洞室围岩力学参数，并根据动态反演力学参数对地下厂房施工开挖围岩稳定性进行了数值计算分析，获得洞群围岩位移场、应力场和塑性区的变化规律，提出了对工程设计和施工具有指导意义的建议和计算结论。
　　(4） 针对超深埋缝洞型油藏开采遭遇溶洞垮塌与储油裂缝闭合的现象，以塔河油田碳酸盐岩缝洞型油藏开采为研究背景，通过三维地质力学模型试验探索了超深埋油藏溶洞的成型垮塌破坏机制，提出了溶洞垮塌判据以及溶洞临界垮塌深度、垮塌顶板厚度和垮塌洞跨的预测公式。通过大量工况的数值计算分析，阐明了不同形态、不同尺寸溶洞的垮塌破坏过程以及溶洞垮塌深度、垮塌顶板厚度和垮塌洞跨的变化规律，揭示了缝内降压速率、降压幅度、裂缝倾角、裂缝长度以及裂缝宽度等因素变化对缝洞型裂缝闭合的影响规律，提出了提高缝洞型油藏采收率的研究建议。
　　1.2 国内外研究现状分析
　　1. 深部岩体分区破裂研究现状分析
　　因为深部洞室分区破裂现象的特殊性，分区破裂现象自首次被发现至今,国内外很多学者对这一难点和热点问题从不同的方面开展了研究，下面从现场监测、室内试验、理论研究和数值模拟等方面对分区破裂研究现状进行分析。
　　1） 现场监测
　　20世纪70年代，有南非学者在两千多米深的金矿中首次观测到了破裂区和非破裂区间隔分布的分区破裂现象。随后Adams等[4]于1980年在南非Witwatersrand金矿埋深2000～3000m的巷道中通过钻孔潜望镜观测到了巷道顶板的间隔破坏现象,如图1.2.1所示。钻孔潜望镜观测结果表明：在所观测的钻孔中均有两个以上相对集中的破裂区，这些相对集中的破裂区由5～150mm的裂缝组成，破裂区和非破裂区交替出现的范围在10m左右。Adams等在机械开挖和钻法开挖的矿井中均发现了分区破裂现象，他们认为分区破裂的产生与开挖方式关系不大，在一定的应力条件下，巷道围岩中就会出现分区破裂现象。
　　20世纪80年代，俄罗斯学者Shemyakin等[5]在埋深957m的Oktyabrskil矿井和埋深1050m的Talmyrskii矿井中，采用电测法、超声透射法、伽马射线法以及钻孔潜望镜等多种方法观测得到如图1.2.2所示的分区破裂现象。
　　图1.2.1 南非Witwatersrand金矿巷道顶板间隔破坏现象
　　预测裂隙带的展布
　　(a) 埋深957m的Oktyabrskil矿井
　　(b) 埋深1050m的Talmyrskii矿井
　　图1.2.2 俄罗斯深部矿井的分区破裂现象
　　1979年我国学者李世平[6]测试了徐州权台煤矿上万根锚杆的受力情况，发现有部分锚杆出现了拉压交替的现象；1987年鹿守敏等[7]通过超声波观测到围岩内部的破裂区；刘高等[8]在地应力较高的金川矿区对围岩内的应力场做了监测，发现由洞壁至围岩深部的应力分布并不是单调变化的，出现了多处相对的应力增高区和降低区；方祖烈[9]在金川矿区观测到了围岩内存在拉应力区和压应力区交替分布的现象。但上述这些监测现象在当时并没有与分区破裂现象起来。
　　2008年李术才等[10]在淮南矿区丁集煤矿近千米深的不同断面尺寸的巷道中，通过钻孔电视系统监测了巷道围岩深处的破裂区分布情况，得到巷道围岩的分区破裂分布图,如图1.2.3所示；2009年许宏发等[11]应用电阻率测定仪测试获得丁集煤矿深部巷道围岩内的电阻率变化曲线，并且与钻孔电视直接观测到的破裂区分布做了对比，证实了分区破裂现象的存在。
　　(a) 半径2.5m的巷道
　　(b) 半径1.4m的巷道
　　图1.2.3 淮南矿区深部巷道中的分区破裂现象
　　朱杰等[12]在淮南矿区朱集煤矿埋深906m的巷道中应用位移测试、声波测试以及钻孔成像多种测试手段相结合的方法，得到了巷道围岩内的破裂区分布，发现围岩内有多个间隔的破裂区；埋深达两千多米的锦屏二级水电站辅助洞的松动圈监测数据表明，洞周围岩内交替出现了破裂区和非破裂区[13]；王宁波等[14]在乌鲁木齐矿区应用钻孔应力监测、声波探测、光学钻孔摄像等多种监测方法，监测到了巷道围岩破裂区分区分布的特征。
　　2） 分区破裂理论研究现状
　　由于深部岩体分区破裂现象与浅部洞室围岩破坏方式存在巨大差异，分区破裂现象自被发现至今一直备受关注，国内外学者从不同的角度提出了很多理论模型试图解释这一特殊的破坏现象。
　　较早的研究者Shemyakin等[15]认为巷道开挖后围岩内径向应力释放、切向应力增长，洞壁附近的围岩进入塑性阶段，在此种应力条件下，洞周围岩内会出现劈裂破坏。破裂面形成以后，可将破裂区看作假洞壁，其后的围岩如满足应力条件则会重复这一破坏过程，直到应力条件不再满足为止。
　　Kurlenya等[16，17]研究了一系列原子和离子以及地球内部结构的半径，发现它们的半径符合2倍的模数关系，并且进一步认为深部岩体分区破裂中各破裂区的半径也符合上述模数关系；俄罗斯学者Odintsev[18]基于深部岩体中的试验数据提出了分区破裂现象的形成机制，该机制可以用于描述并预测地下洞室围岩的周期性劈裂破坏；Reva[19]以能量方法为基础，针对脆性岩石提出了能够考虑不同扰动程度的破坏准则，并且基于该破坏准则给出了一种能够评估分区破裂条件下地下工程稳定性的方法；Metlov等[20]基于非平衡态热力学原理，解释了围岩内分区破裂现象的物理机制，描述了岩石自性阶段至分区破裂形成的演化过程；Sellers等[21]通过试验研究了深部洞室围岩内不连续面对分区破裂的影响，认为岩体中的不连续面是引起分区破裂的重要原因；Guzev等[22]基于不平衡热力学理论提出了一种非欧连续模型，并利用该模型分析了圆形地下洞室的应力场分布。
　　钱七虎、周小平在分区破裂现象的理论研究方面做了较多的工作，他们从不同的方面对分区破裂现象的形成机制给出了解释。文献[23]～[25]将深部洞室的开挖视为一个动力过程，并将其运动方程用位移势函数来表达，通过Laplace变换获得了动力开挖条件下洞室围岩的应力场和位移场，当围岩的应力场满足破坏准则时围岩内出现破裂，围岩破坏引起的应力重分布可能导致新的破裂区出现，从而形成多个间隔的破裂区；文献[26]～[28]认为深部岩体是一种具有初始损伤的非连续介质，其内部存在着大量节理裂隙，围岩内节理裂隙的扩展将导致深部岩体的内部空间由欧氏几何空间向非欧几何空间转化，并根据非欧几何模型求得了深部洞室围岩的应力场，考虑了损伤变量对深部洞室围岩的应力场和分区破裂化效应的影响；文献[29]～[32]基于自由能密度、平衡方程和变形非协调条件，提出了一种新的非欧模型，求得了深部圆形洞室围岩的应力场，当围岩内微裂纹的