关山隧道高地应力破碎围岩地段变形及支护试验研究

本文以天平铁路关山隧道高地应力破碎围岩地段的掉块引起坍塌及初期支护大变形问题为研究对象,选取试验段,对工程地质和围岩监控量测数据进行分析,揭示了小断面隧道围岩破碎崩塌、初期支护变形破坏发生的主要因素,即小断面隧道施工工法、围岩破碎稳定性、围岩节理和微裂隙发育、节理密集带发育、支护结构刚度,提出了采用"多台阶、短进尺、少装药、快封闭、强支护"的工程实施措施,从而有效控制破碎围岩变形量,确保小断面隧道在高地应力破碎围岩地段支护质量和安全。     

大断面小净距隧道的净距优化分析

为对大断面小净距隧道的净距进行全面优化,采用大型有限元软件ANSYS,对不同净距下的大断面隧道施工过程进行数值模拟,研究不同净距下隧道施工过程的围岩应力场和位移场分布情况及支护体系的受力情况,获得隧道净距对围岩应力分布、支护体系受力和断面收敛的影响,再运用层次分析法分析影响因素的目标度,进行一致性检验并确定权重.研究结果表明:大断面小净距隧道在开挖过程中,围岩应力及变形略呈对称状态,先开挖隧道支护受力及围岩变形略大于后开挖隧道,净距越大,对称现象越明显,围岩应力和变形及支护体系的受力越小,围岩及支护体系稳定性越高,综合考虑支护体系安全及围岩稳定等因素,该大断面小净距隧道的最优净距为1.6B(B为开挖净距).     

高地应力下地下厂房围岩破坏特征及地质力学机制

结合前期地质勘查、施工期地质编录及其他施工信息,分析四川猴子岩水电站地下厂房围岩及支护结构变形开裂特征,对围岩变形破坏的地质力学机制进行研究,并对后续开挖支护提出相应的工程应对措施。研究结果表明:主厂房围岩破坏以应力驱动型为主,本质上是高地应力和低强度应力比造成的;厂区地应力及其方向使得主厂房上下游侧岩锚梁-拱肩之间边墙部位的切向应力加载效应明显,围岩易于压致劈裂;利用应力莫尔圆解释了该地区围岩易于出现破坏的原因。     

基于连续介质模型的海底隧道支护结构受力特征

在含水地层中开挖隧道,地下水的存在一方面会影响隧道周边地层的力学参数,另一方面也会在围岩中产生渗流体积力,进而影响地层的应力和位移.对于埋深较浅而水压力较高的海底隧道而言,支护结构除承受围岩压力外,还要承受很高的水压力.支护结构的受力特征受隧道围岩和支护结构间接触面剪应力、隧道顶板厚度、水深、围岩侧压力系数以及支护结构的厚度和刚度等因素的影响,而经典隧道支护结构内力弹塑性解假设的边界条件与实际情况相差很大.文中阐述了弹性力学应力函数法推导支护结构内力的解析解,并采用数值分析方法研究了海底隧道支护结构的受力特征.通过FLAC3D程序验算了厦门翔安海底隧道Ⅴ级围岩海域段支护结构的内力,比较分析了断面形状对支护结构受力的影响.     

不同施工工法对既有隧道影响的数值模拟研究

文章通过数值分析手段,对拟建隧道采用不同的施工方法所引起交叉既有隧道的受力、变形变化状况进行研究。全断面法与上下台阶法对既有隧道的围岩应力及变形影响是一致的,两者均引起拱顶及边墙的围岩应力降低,拱底围岩应力的增高,既有隧道特征点均将产生下沉。全断面法开挖引起既有隧道的位移量要稍大于上下台阶法,同时2种开挖方法对既有隧道二衬的受力影响几乎相当,二衬经历对称—非对称—对称3个变化过程,随着开挖深入,其应力逐渐增大,但远小于容许应力值,处于安全状态。并据此提出相应的建议。     

软岩大跨隧道施工力学研究

深圳大梅沙隧道修建于软弱围岩中,断面呈扁平状,且施工工序复杂,地层和支护结构的受力状态频繁变化.为保证施工过程中支护结构和围岩的稳定,采用ANSYS程序对施工过程中围岩和支护结构体的受力状态进行了模拟计算,结果表明:采用双侧壁导坑法施工,导坑的围岩应力呈不对称分布,尤其在临时支护与永久支护的结合部位会出现应力集中现象;中洞上步开挖是施工过程中最不利环节,容易产生较大的卸荷效应,引起拱顶和地表的大幅度沉降.据此提出了对拱部支护及时施作二次衬砌以及对拱腰和边墙底部围岩采取注浆加固等技术措施,保证了围岩和支护结构的稳定.     

高地应力软岩隧道大变形控制及支护对策研究

兰渝铁路黑山隧道出口DK98+890~DK100+242段属高地应力软岩,在施工过程中初期支护出现严重破坏及大变形,对施工造成了不利影响。本文基于高地应力条件下二叠系板岩、碳质板岩地层的试验与理论研究,得到了该地层的变形规律及支护受力特征:同时现场试验证明,采用H175全环钢架结合深孔锚杆、喷射C30早高强混凝土可以有效地解决软岩隧道高地应力大变形问题,实际应用效果良好。     

软岩大跨隧道施工力学研究

深圳大梅沙隧道修建于软弱围岩中，断面呈扁平状，且施工工序复杂，地层和支护结构的受力状态频繁变化。为保证施工过程中支护结构和围岩的稳定，采用ANSYS程序对施工过程中围岩和支护结构体的受力状态进行了模拟计算，结果表明：采用双侧壁导坑法施工，导坑的围岩应力呈不对称分布，尤其在临时支护与永久支护的结合部位会出现应力集中现象；中洞上步开挖是施工过程中最不利环节，容易产生较大的卸荷效应，引起拱顶和地表的大幅度沉降。据此提出了对拱部支护及时施作二次衬砌以及对拱腰和边墙底部围岩采取注浆加固等技术措施，保证了围岩和支护结构的稳定。     

高应力大断面破碎围岩巷道二次强力支护支架设计

为解决深部高应力大断面破碎围岩巷道支护难的问题,分析了不同支架断面形式随侧压系数的变化巷道围岩应力和位移的变化特征,以及双层工字钢梁的高度对承载受力大小影响特征.开发了适用于高应力大断面破碎围岩巷道拱形叠加底拱全封闭工字钢支架,该支架采用矿用工钢上下重叠并连接成整体的全封闭马蹄形结构,支架的整体承载能力比工字钢对棚提高了2.5倍以上.井下试验结果表明,拱形叠加底拱全封闭工字钢支架二次强力支护可以有效控制巷道围岩变形.     

高地应力与强渗透水压下软弱围岩支护

为了解决锦屏Ⅱ级水电站引水隧洞工程中高地应力和高渗透水压力条件下破碎带洞段软弱围岩合理支护的关键技术问题,应用弹塑性基于流固耦合原理的三维快速拉格朗日有限差分法,分析比较了不同支护方案下隧洞围岩塑性区分布范围与变形特征.研究结果表明,在高地应力和高渗透水压力条件下,根据将围岩视为承载结构以充分发挥围岩承载能力的设计理念,围岩支护采用可使围岩与支护结构充分地联合承载的喷锚支护、固结灌浆和混凝土衬砌的联合支护型式,这是解决高地应力与强渗透水压力联合用下软弱围岩稳定性问题的有效途径.     

浅埋暗挖黄土隧道地层及围岩力学特性变化规律

以新建蒙华铁路运煤通道青化砭隧道为依托,埋设地层变位和围岩应力测试元件,对开挖时黄土地区大跨径浅埋隧道的地层及围岩力学特性变化规律进行了研究。结果表明：拱顶沉降和水平收敛变形可分为均匀变形阶段和稳定变形阶段,竖向地层沉降随埋深的增大先增大后减小;当工作面稳定时,横截面方向和轴线方向的水平位移超前影响距离分别为8m、15m。滞后和超前开挖时,周围土体横截面方向和轴向水平位移分别向隧道内侧和背离隧道方向发展;初期支护施做后,衬砌应力重新分布,仰拱压力增大,而左右拱腰压力不变。所得结论可为黄土地区浅埋暗挖大跨度隧道的设计和施工提供参考。     

高地应力富水软岩铁路隧道变形机理及施工控制措施

国家一带一路重点项目云南玉磨铁路曼勒一号隧道地处喀斯特地貌区,现场施工中遇围岩地应力高、变形量大、变形持续时间较长等问题,导致初支变形严重,影响施工进度,其中高地应力是导致围岩大变形的主要原因。本文通过建立力学模型分析与施工现场试验,提出开挖迂回导坑释放高地应力的控制措施,降低隧道围岩大变形风险。研究结果显示：通过数值模拟分析增设迂回导坑后隧道正洞围岩变形量有效降低,拱顶沉降及拱腰收敛分别降低38.46%和58.34%、围岩塑性区最大塑性应变减小25.40%,围岩及初支结构应力减少了20-24%。现场施工中,迂回导坑段隧道比仅开挖隧道正洞的围岩变形量减少了61.92%。迂回导坑的开挖有效控制变形量及变形速率,现场试验效果良好,施工进度得以加快。     

高应力炭质板岩隧道开挖支护结构受力评价研究

为探究高应力下炭质板岩隧道开挖过程中围岩位移、支护结构内力变化规律，依托渭武高速木寨岭公路隧道，采用有限差分软件FLAC3D建立三台阶七步开挖法下炭质板岩隧道的数值模型，提出强、中、弱三种支护方案；分析开挖距离对围岩位移、支护结构内力等因素的影响，并对支护设计参数合理性评价。研究结果表明：开挖过程中围岩累计沉降和收敛变形量比较：强支护＜中支护＜弱支护；开挖相同距离下，随着支护强度上升，支护提供的弹性抗力越强，围岩沉降和收敛变形减小；以强支护为例，支护结构轴力呈现先增大后减小的趋势，最终轴力不断上升但趋势变缓的特征，开挖距离50m趋于稳定；支护设计参数评价时，开挖距离（50m）结束，强、中、弱三种方案钢架受压安全系数最小值分别为3.903、3.718、3.264，#1拱顶处强支护钢架较喷射混凝土先破坏，混凝土安全系数最小值分别为3.491、2.987、2.666，#2左拱腰处喷射混凝土较钢架先破坏，故选择中支护方案，材料I25b×C25、初衬厚度26cm、钢架距离0.8m。研究结果可为类似软岩隧道开挖和支护结构的设计提供一定参考。     

连霍高速杏花村1号大跨扁平超大断面隧道开挖方案研究

为研究大跨扁平超大断面隧道围岩和支护结构受力变形影响，以连霍高速杏花村1号隧道为工程背景，采用有限元软件FLAC3D对V级围岩进行数值模拟，对双侧壁导坑法和三台阶四部开挖法在隧道开挖时的位移、塑性区、初期支护应力的影响规律进行了研究，提出适用于大跨扁平超大断面隧道不同地质条件下安全经济的开挖方法。对比分析结果表明：隧道开挖时，采用三台阶四部开挖法的隧道拱顶位移、临时支护结构的应力、隧道岩体周边位移较采用双侧壁导坑法大。双侧壁导坑法安全性更高，对围岩位移的控制效果更好，为今后此类工程的施工提供经验和理论指导。     

高铁隧道穿越采空区段围岩变形受力规律分析

为研究高铁隧道过采空区段的围岩变形规律,本文以太焦高铁皇后岭隧道典型过采空区段工程为背景,通过对典型断面进行隧道围岩变形和拱架内力的持续监测,对比分析不同施工阶段下高铁隧道围岩变形受力规律。分析结果表明：上台阶开挖时是围岩变形发生的主要阶段,隧道最大沉降变形发生于拱顶,占总变形比值的50%以上,且隧道距离采空区底板距离越近,围岩受开挖和采空区扰动影响越大;钢拱架受力为全环压应力,整体分布呈现“上大下小”、“不均匀对称”的特点,受力最大位置出现在拱顶和右拱肩位置,并且拱架受力随着掌子面的远离,其轴力变化速率呈现出逐步减少的趋势。结合位移和应力监测数据分析结果,采空区对隧道的影响高度约为25.7m。研究成果可为类似隧道过采空区工程的设计、施工提供借鉴和参考。     

扁平超大断面隧道的施工力学特征及其动力稳定性分析

针对超大断面小近距隧道支护设计中的围岩压力分布、位移变形特征问题,以牛寨山双洞八车道公路隧道为研究对象,建立了考虑工程实际地形、工程地质的三维有限元模型,开展了隧道开挖的施工力学形态数值模拟分析,得到了隧道施工过程中隧道围岩变形规律,探讨了小净距大断面隧道近接施工的影响规律.结果表明,小净距大断面隧道所表现出来的施工力学特性复杂,由于偏压的影响,围岩整体水平位移呈非对称分布,最大水平位移发生在南线隧道拱肩处,隧道拱顶下沉最大值发生在先行洞,隧道仰拱处隆起较大;应力集中在两洞仰拱和拱脚处.在此基础上,开展了隧道开挖后的动力有限元计算,分析了洞口段地震力作用下的动力响应,评价了其动力稳定性.计算结果可为优化设计、指导隧道施工以及为隧道稳定性和支护结构安全性评价提供参考.     

基于支护结构强度和变形综合优化的隧道支护理论与方法

针对新奥法在工程应用中的不足,分析了采用经典地压理论解决隧道工程支护问题的合理性与缺陷,提出了基于支护控制曲线、工程地质情况、监测数据的闭环式目标控制优化支护理论.通过有限元法分析不同应力释放率下支护结构应力与围岩变形的关系,利用支护应力与围岩变形控制条件确定目标控制位移,通过计算后续步段开挖对变形影响的修正控制位移,并结合实际工程的现场位移监测数据,最终确定合理的二次支护施作条件.通过工程实例,验证了该方法的正确性与实用性。     

渗流对CRD法开挖浅埋偏压隧道洞口段影响的分析

针对在隧道洞口段采用CRD法开挖过程中,因渗流作用而导致围岩的物理力学状态发生变化和引发的问题。在考虑渗流的情况下,运用FLAC_3D软件,分析浅埋偏压隧道围岩在CRD法施工时物理力学状态的变化规律。结果表明：在开挖周围产生较集中的漏斗形状的孔隙水压力区域;地形的偏压造成隧洞右侧的应力大于左侧,随着CRD法的分步开挖,每步开挖后造成的导洞在拱顶、底板、边墙处横向均产生了应力集中,左洞在完全开挖与支护后,应力集中现象逐渐减少;在考虑渗流时第三步开挖对初始开挖处围岩变形影响最大;在CRD法开挖过程中,对围岩变形影响较大的是第七步;拱腰和拱顶发生的位移,在考虑渗流时大于未考虑渗流时的情况,但拱底出现与上述相反的现象。     

考虑蠕变效应的软岩特大断面隧道围岩抗力系数计算

根据软岩具有蠕变时效的特点,考虑岩体应力-应变全过程曲线,基于鲍格斯(Burgers)蠕变力学模型,推导出了考虑蠕变效应及初始地应力的隧道抗力系数计算公式。以沪昆高速铁路特大断面软岩隧道——明山隧道为工程依托,通过现场水压致裂试验获取隧道初始地应力以及室内岩石试验,获取围岩物理力学参数,代入该公式得到了明山隧道的围岩抗力系数。研究结果表明:该公式能够可靠的运用于具有蠕变效应的软岩隧道衬砌支护设计计算中;当围岩出现塑性流动变形时,围岩仍具有与衬砌共同承载的能力,这一研究结果对隧道衬砌设计具有十分重要的实际指导意义。     

松散堆积体隧道围岩空间位移特征分析

为研究松散堆积体隧道施工引起围岩空间位移的变化,采用弹塑性非线性有限元法对隧道开挖过程进行仿真模拟,将空间位移分为地表沉降、周边围岩位移和掌子面挤出变形3部分进行分析,并与既有理论和现场测试数据进行对比。数值计算结果表明:隧道开挖引起的围岩变形具有明显的三维特性,掌子面前后方影响范围均约为20m,横向沉降槽呈明显的"深沟"形,沉降槽宽度较小,与塞形曲线拟合度最高;周边围岩拱部下沉和隧底隆起范围与量值均较大,水平收敛较小,下台阶支护封闭成环后变形趋于稳定;上台阶掌子面挤出变形呈中间大、周围小的"圆形放射状",下台阶掌子面挤出变形总体较小;与现场测试值相比,拱顶下沉和净空收敛偏大,地表沉降两者基本一致。