富水软弱围岩隧道穿越断层破碎带的稳定性分析及施工技术

研究了富水软弱围岩隧道穿越断层破碎带围岩稳定性影响问题及施工技术.以国家一带一路重点项目云南临沧临翔至清水河高速公路马家寨隧道工程为依托,通过有限元软件MIDAS GTS NX分别建立不同断层破碎带夹角、倾角的隧道三维有限元模型,对隧道围岩稳定性进行分析,并提出相应处治措施.研究结果表明:拱顶沉降、仰拱隆起及周边收敛均呈现出先增大后减小的现象,说明距离断层越远,对围岩稳定性影响越小;围岩变形的突变范围均随着断层倾角、夹角增大而减小;不同断层倾角、夹角工况下围岩应力均为压应力;断层处围岩应力明显小于周围围岩,围岩应力分布状态发生改变;断层破碎带对富水软弱围岩隧道围岩稳定性影响较大,应加强地质预报并采用全断面超前帷幕注浆堵水方案.     

断层破碎带隧道围岩敏感性及沉降控制分析

为探明施工隧道穿越断层破碎带时何种断层形态对围岩稳定性影响最为显著,以绵九高速公路五里坡隧道不同断层形态为例,采用三因素四水平数值模拟正交试验对围岩敏感性分析。此外,为避免隧道开挖至断层破碎带时围岩发生较大变形及破坏,保证隧道施工过程安全,对断层的响应特性进行概括,需对断层段围岩注浆加固提高其稳定性。最后,对注浆加固圈厚度分别为：0m、1m、2m、3m的断层段隧道施工过程进行FLAC 3D三维模拟,采用位移控制率均值K对隧道断层及前后段整个区段的围岩控制效果进行定量评价。结果表明：1）断层倾向在各水平条件下变化时,拱顶沉降和边墙位移基本不发生改变,其余两因素对隧道拱顶沉降和边墙位移的影响程度分别为：断层厚度＞断层倾角、断层倾角＞断层厚度。2）注浆加固圈厚度由0m递增至3m时,隧道轴向位移和塑性区面积依次减少,但注浆加固效果也明显下降。3）通过围岩控制率k定量分析注浆加固对位移的控制效果,断层前后段的位移控制率均小于断层处。可见,在既能保证工程安全,又能减少注浆的使用,加固圈为2m时效果最好。     

基于水-岩相互作用的富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征

为研究开挖卸荷和水力荷载耦合作用下富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征,以沈白高铁西谷隧道工程为依托,考虑不同富水破碎带构造形式及地下水赋存特征,开展隧道突涌灾害演化过程研究。基于水-岩相互作用原理,建立三维离散元粘合块体-裂隙流耦合模型,明确不同地质构造特征下的隧道突涌灾害模式,分析破碎岩体裂隙扩展和地下水渗流的时空演化规律。研究结论有:(1) 引入粘合块体模型和裂隙流组合模型,建立了富水断层破碎带水岩相互作用力学模型,再现了富水破碎带隧道突涌灾害演化过程。(2) 不同富水破碎带构造形式引起的突涌灾变模式差异显著,且具有不同的触发条件和表现形式。断层破碎带倾角为45°时,破碎岩体沿掌子面下部溜塌涌入隧道,倾角为90°时,围岩向掌子面挤出,倾角为-45°时,表现为拱顶围岩垮塌。(3)富水破碎带突涌灾害程度随着水头增大而加剧,其中倾角为-45°时,突涌灾害程度受水头高度的影响最显著,倾角为90°时,水头高度影响相对较弱,但突涌灾害程度最严重。     

断层破碎带注浆加固稳定性综合测试

断层破碎带岩性复杂、节理发育,为维护破碎带影响范围内巷道围岩稳定性,降低突水风险,常对其进行超前注浆加固。以淮南潘二煤矿F1断层为例,提出采用钻孔光纤及电法测试技术,对巷道掘进过程中断层破碎带注浆加固稳定性进行动态监测和分析。根据巷道掘进速度,定期采集钻孔应变和电阻率数据,分析了应变及电阻率分布特征及演化规律,指出断层破碎带注浆加固后场源变化特征与正常岩层区段具有明显差异性,表明注浆加固将有效改善破碎区段岩层物性。根据光缆应变分布及电阻率分布特征,结合巷道围岩地质属性,认为断层破碎带注浆加固后稳定性得到有效提升,断层活化变形程度较小。     

断层破碎带软岩巷道支护技术

为软岩巷道过断层破碎带支护技术研究提供有效技术支撑,采用理论分析、岩石三轴压缩试验、围岩表面变形监测和MIDAS/GTS数值模拟,分析断层破碎带对巷道表面变形的影响.以红庆梁煤矿回3-1煤辅运大巷1088 m处断层破碎带为工程背景,提出将原矩形断面更改为直墙半圆拱形断面和锚网索喷+"U"型钢支架的联合支护方法.研究结果表明:选择断层核心区域的1个观测断面进行围岩表面变形观测,并与数值模拟结果进行对比分析,数值模拟结果与现场实际监测数据基本一致.施工至断层破碎带20 m范围内配合注浆对围岩进行加固,确保安全通过断层破碎带.     

引细入兰输水工程主洞线优化研究

该区属岩性较简单,构造较复杂的地区.新发现的较大断层8条.对工程产生较大影响的是F4和F18断层.测区内发现磁铁石英岩残留体、粗面斑岩、大理岩、钠长岩等新岩石类型.原设计主洞线F5-F6之间洞线将平行F4穿越330m的断层破碎带.我们建议优化洞线避开断层破碎带,使遂洞穿越工程地质条件较差的浪子山组二云片岩的距离减少1600m,洞线总长度不变,支洞亦可布置,达到优化的目的.     

穿越富水F4断层铁路隧道变形监测与分析

针对山岭隧道穿越断层破碎带围岩大变形问题,以某穿越富水F4断层铁路隧道工程为研究对象,采用现场监测手段,对隧道穿越F4断层时变形规律进行了详细分析。研究工作主要包括:(1)V级和Ⅳ级围岩段隧道开挖影响距离分析;(2)贯通施工对断层破碎带内隧道工期及后期变形的影响分析。研究结果表明:现场监测结果验证了隧道穿越F4断层施工控制措施是可行的,围岩及隧道变形得到了较好地控制;贯通施工对断层破碎带内隧道施工变形和后期变形均有较大影响,且距离贯通断面越近,影响越大;依托工程条件下V级和Ⅳ级围岩的开挖影响距离分别为47m和47.6m。研究结论可为类似工程地质条件下隧道设计与施工提供借鉴与参考。     

断层位错量对跨断层隧道的影响

在几何相似比为100、断层倾角为90°的情况下,进行了断层位错量对跨断层隧道影响的模型试验。介绍了围岩模型材料的相似常数的选取及设计、隧道衬砌的设计、加载方案。对取得的衬砌应变数据进行处理分析。结果表明:不同位错量下隧道衬砌拱腰的纵向应变分布规律一致,隧道衬砌应变和位错量成正相关;破碎带两侧不同盘处的隧道衬砌的应变呈现反对称分布;应变最大位置处即在断层破碎带处。     

巷道组过断层围岩控制技术研究

以深井巷道组过特大型断层(落差大于100m)破碎带为工程背景,采用数值模拟的办法对比分析了正常地层和断层破碎带中巷道组围岩的力学特征以及相互影响;结合断层破碎带围岩的实际情况,建立了"早预测、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测、防突水"的断层带施工技术和综合保障体系,形成超前物探、超前加固、微震开挖、分步动态支护等综合配套技术,保证了巷道的施工安全。     

白马铁矿尾部排洪隧洞板房断层围岩稳定性分析与施工处理

攀钢白马铁矿尾部排洪隧洞工程穿越板房断层破碎带,节理、裂隙、溶隙、溶洞、层间褶皱、地下水均相对发育、围岩稳定性差.文章根据断层带应力分布与隧洞围岩稳定性关系,提出采用超前探孔、拱部超前管棚支护、固结与堵水注浆、短掘短衬、及时封闭成型岩面等施工处理措施,确保在此复杂地质条件的施工安全、优质、高效.     

断层破碎带隧道围岩稳定性的离散元模拟研究

断层破碎带是隧道施工中常见的不良地质体之一,容易导致隧道围岩失稳甚至塌方等问题。为了分析其对隧道围岩稳定性的影响规律,依托港珠澳大桥连接线南湾隧道,利用离散元软件PFC~(2D)建立二维分析模型。结果表明:断层破碎带作用下隧道围岩应力呈非对称性,当断层位于受拉一侧时,断层对隧道水平位移的影响更为明显;当断层穿越隧道轮廓面时,断层对隧道围岩竖直方向位移的影响比水平方向位移更加显著;对比断层比邻与穿越隧道两种情况,断层与隧道相交时的最大潜在松动破坏区是未相交时的2倍以上;现场监测结果表明,当断层与隧道边墙位置相交时,该断面的位移最大且相比其他断面位移值明显增大,约为其他断面相同位置位移的2.5倍,这与数值计算中断层破碎带对潜在松动破坏区的影响规律类似。     

节理岩体中隧洞围岩的损伤破坏机理

结合细观节理形态的变化,在二轴围压条件下,数值模拟了节理岩体中隧洞围岩损伤破坏过程,研究了节理岩体中隧洞围岩体的破坏机理,分析了岩体中节理倾角对隧洞围岩稳定性的影响规律.结果表明:裂隙的产生和发展延伸主要是拉应力的作用,裂隙延伸方向大致与节理面垂直;节理倾角较小时,岩体中破裂以垂直于节理面的拉裂隙为主;节理倾角较大时,岩体裂隙以沿节理面的滑动裂隙为主;不同倾角的节理面对岩体破坏的脆性也有较大影响;岩体破坏前有大量微裂隙产生,同时伴随着声发射能量的释放,利用微震监测技术抓住这些微破裂前兆信息,能够较好地进行隧洞塌方、冒顶、岩爆等灾害预测,提前做好支护等应对措施,以保障人员、设备安全.     

基于复杂地质岩机作用的多维度隧道掘进机适应性评价方法

为了解决高强度高磨蚀硬岩地层TBM掘进“低效高耗”、断层破碎带地层“刀盘受困”、高地应力挤压性地层“护盾被卡”等隧道施工难题,基于TBM滚刀、刀盘、护盾与隧道围岩的相互作用,通过多个TBM法隧道工程数据统计分析,揭示了滚刀贯入度指数与岩体特性指标、滚刀破碎体积磨损速率与岩体特性指标、TBM设备利用率与断层宽度、围岩相对变形量与强度应力比的函数关系,建立了基于滚刀可掘性和耐磨性、刀盘受困和护盾被卡风险的多维度TBM适应性评价方法,为复杂地质隧道修建TBM工法选择、装备设计及施工难题的解决提供了量化依据。     

软弱夹层倾角对巷道围岩稳定性的影响

为研究软弱夹层的倾角对巷道围岩稳定性的影响,通过相似原理配制了含不同倾角软弱夹层的物理模型,利用模具对其施加位移边界条件,试验机对其施加垂直载荷,模拟地应力,对物理模型进行模拟开挖。结果表明:含不同倾角软弱夹层的巷道顶部均出现应力集中,呈现塑性变形并最终局部出现冒顶现象。巷道围岩的稳定性和软弱夹层的倾角有一定的关系,软弱夹层的角度越大,夹层和主岩体的结构面越容易发生滑移,整个巷道围岩的稳定性越差。可见软弱夹层的倾角严重影响巷道围岩的稳定性。     

基于多源地震干涉法隧道断层位置预测数值模拟

西部山区在建或即将修建的大量隧道都具有高地应力特征,如何提高高地应力隧道超前地质预报的准确性是当前工程界面临的一大关键难点,而地应力增加是岩体波速增加的主要因素之一。采用多源地震干涉法模拟了在断层波速一定的条件下围岩波速和断层倾角变化对隧道掌子面前方断层位置识别的影响。数值模拟结果表明:围岩波速和断层倾角的增加会导致预报的断层位置比实际位置更接近掌子面,计算结果间接表明了地应力对识别断层位置的影响。通过二元二次函数回归分析拟合出一个含地应力和断层倾角的修正公式,依据修改公式,对白马隧道高地应力洞段掌子面前方不良地质体进行了超前地质预报,隧道现场开挖结果与修正后的预报结果基本一致。     

深埋公路隧道高地应力场特征分析及岩爆预测

深埋隧道岩体中有较高地应力,在岩石强度较高的围岩处易发生岩爆,影响围岩稳定性。笔架山公路隧道埋深大,为降低其安全建设风险,本文通过工程区岩样岩体力学实验对围岩性质进行研究,结合地应力资料建立三维有限元地质模型反演隧址区地应力场,最终利用谷-陶岩爆判据和强度应力比岩爆判据对笔架山隧道岩爆状态进行预测。结果表明：隧道工程区内岩体有中等-强烈岩爆倾向;隧道沿线地应力场由自重应力场主导,大多数区段岩体处于极高应力状态,且水平最大主应力与隧道夹角较小,有利于围岩稳定;开挖后沿线围岩最大主应力峰值为63.2MPa,均发生在断面侧壁,因此在该部位发生岩爆的可能性较大;隧道沿线24%区段有发生岩爆的可能,且以中等-高岩爆活动为主,岩爆预测结果可为隧道开挖施工和灾害防治提供参考。     

节理岩体中隧洞开挖的渐进破坏模式

节理岩体中隧洞的破坏模式与节理属性密切相关．基于一个能描述多组节理的岩体模型,采用数值模拟技术研究了节理倾角和侧压力系数对节理岩体中隧洞破坏模式的影响结果表明,节理岩体中隧洞的破坏模式受节理倾角控制．在较小节理倾角下,主要表现为肩部岩体的弯曲断裂、节理之间的分离和边墙岩体的压碎;在较大的节理倾角下,主要以边墙岩体的压碎和节理之间层状岩体的滑移为主侧压力系数亦影响隧洞破坏模式,在较小的侧压力系数下,隧洞破坏主要受节理倾角影响;随着侧压力系数的增大,其破坏主要受构造应力影响．这些结论可为隧洞支护设计和施工提供参考     

基于岩体质量Q系统的隧道围岩分级

岩体质量Q系统未考虑隧道上覆不同地质条件岩土体位置关系的相互影响。阐述了岩体质量Q系统在进行围岩分级时存在的问题,基于摩尔-库伦强度准则,提出了计算隧道围岩松动区和承载区的公式,得出当隧道围岩等级越高,即围岩稳定性越差时,松动区外半径、承载区外半径以及塑性区外半径越大;通过将理论分析方法与数值模拟方法相结合,求出了隧道围岩重要性系数,提出了一种隧道围岩分级新计算公式。