深埋TBM隧道施工微震监测规律

随着各类地下工程向着深部发展,因开挖卸荷导致的围岩失稳问题日益突出。为了对围岩失稳进行预报预警,该文以西藏在建的某公路隧道为研究对象,构建了微震监测系统,总结了深埋隧道隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)开挖过程中微震活动的时空演化规律,揭示了微震事件b值与围岩失稳风险水平之间的关系。结果表明:微震事件数及其能量随TBM日掘进进尺的增大而增多;岩体垮塌发生前,微震事件在空间上聚集,时间上呈增多趋势,微震事件聚集区域与岩体垮塌位置吻合;微震事件b值能够表征隧道围岩稳定性。研究结果验证了微震监测技术用于洞室围岩稳定性评价的可行性,并为微震监测技术在类似工程中的应用提供了参考。     

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.     

隧道工程设计施工中荷载与相应的支护参数浅析

从浅埋隧道衬砌荷载计算入手来剖析其荷载计算的"本质",进而找出其与超浅埋、深埋隧道荷载计算之间的关联,由此比较分析了超浅埋、浅埋与深埋隧道三者的支护参数。鉴于目前浅埋与超浅埋隧道设计、深埋隧道设计及同一断面不同围岩分级的隧道工程设计中存在的一些问题,提出了一些有益的分项建议。     

正盘台隧道超前帷幕注浆合理范围

富水隧道开挖易引起突涌水、掌子面失稳和支护结构位移过大等问题,采用帷幕注浆可加固围岩并止水,进而保障隧道施工安全。为寻求合理超前帷幕注浆范围,本文依托京张铁路正盘台隧道实际,通过FLAC3D数值模拟手段建立了渗流场与应力场的耦合模型,研究深埋富水段隧道超前帷幕不同注浆范围对围岩稳定性和渗流规律的影响,从而指导工程实践。研究表明：全断面帷幕注浆和全周边注浆可较好满足正盘台隧道不同渗水段安全需求。     

隧道围岩稳定性及其支护作用分析

针对隧道设计中的围岩力学特性及其荷载效应、"支护-围岩"动态作用特点及支护结构体系的协同作用原理3个基本问题进行研究.首先基于对大量山岭隧道围岩变形监测结果的统计分析,指出围岩变形规律和基本特点,以隧道掌子面围岩变形加剧点、初期支护施作和围岩变形稳定作为3个关键节点对"支护-围岩"力学演化过程的作用特点进行分析.提出了"浅层围岩"与"深层围岩"组成复合围岩结构的新理念,对围岩失稳的动态特征进行阐述,并通过计算分析指出了隧道围岩失稳模式、失稳机理和失稳范围的确定方法.基于围岩失稳模式推导作用于支护结构的围岩荷载计算公式,它包括由浅层围岩确定的"给定荷载"和深层围岩传递的"形变荷载"两部分.建立支护结构体系的协同作用力学分析模型,分析了弹塑性条件下影响塑性区变化的关键因素,揭示了初步加固圈层与后续支护圈层的协同作用原理.研究结论对实现隧道工程的动态化、定量化设计和施工具有重要的指导意义.     

隧道围岩卸荷演化过程的Kolmogorov熵分析

岩石材料本质上是一种物理非线性的材料,在深埋条件下,隧道围岩系统的变形还表现出几何非线性,这两种非线性机制的相互作用使得围岩系统的卸荷演化具有高度的复杂性。根据重庆某深埋隧道围岩实际情况,建立了摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型,运用三维显式有限差分程序FLAC3D软件,采用大变形方法对深埋隧道围岩系统卸荷进行数值仿真,同时基于耗散结构理论,对深埋隧道围岩系统卸荷演化的双重非线性数值计算结果行整合,提取了围岩系统演化过程中特征点演化时间序列的Kolmogorov熵值,判断了系统演化的混沌特性及其对初始条件的敏感性,分析了系统卸荷过程的能量耗散特征,研究了围岩的失稳机制。     

近水平沉积岩层公路隧道围岩变形特征研究

根据广元至巴中高速公路某隧道左线近水平沉积岩层周边收敛和拱顶下沉的观测数据,按照围岩级别和达到收敛位移总变形80%和90%的时间,通过对Ⅳ、Ⅴ级围岩段典型监测断面初期变形数据的数理统计和分析,得出了该隧道近水平沉积岩层围岩的变形特征和回归方程,并据此算出了与现场吻合程度较好的该隧道近水平沉积岩岩层隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩总收敛的均值及满足二次衬砌要求的时间均值.最后介绍了位移加速度判据在评价该类隧道围岩稳定性和确定隧道二次衬砌施工时间的应用.     

深埋隧道围岩应变软化模型参数的正交设计

研究高应力环境下岩体单元塑性软化变形对深埋隧道围岩位移的影响规律,采用基于莫尔库仑与拉破坏复合破坏准则的应变软化模型对深埋隧道的开挖卸荷进行数值仿真,按照正交实验方法设计计算方案。根据计算结果,得出应变软化模型力学参数对围岩水平收敛位移影响程度的大小,建立围岩水平收敛位移与应变软化模型力学参数之间的经验公式,为深埋隧道围岩的稳定性分析提供了理论依据,对实际工程施工也有重要的参考价值。     

负泊松比锚索超大断面隧道围岩大变形控制体系

为解决传统吸能锚索不能解决超大断面隧道软弱围岩隧道大变形的问题,首次提出将负泊松比(negative Poisson’s ratio, NPR)锚网索支护体系应用于超大断面隧道支护措施中。依托侨城东路隧道东线标准段为工程背景,通过实地勘察,室内试验和理论分析的方法,从围岩岩性、物理力学特性以及水文地质条件方面,揭示了侨城东路隧道围岩大变形机理;通过室内试验得到NPR锚索物理力学特性并构建本构模型;再利用Rhino软件建立隧道以及初期支护模型、FLAC^3D软件进行模拟计算,对比分析无锚索、泊松比(Poisson’s ratio, PR)锚索、不同排距NPR锚索4种方案围岩应力、位移、变形破坏规律。基于以上研究成果,进行室内相似比物理模型试验进行对比验证。结果表明,NPR锚网索支护体系相比普通锚网索支护能够有效地控制超大断面隧道软弱围岩大变形,不仅为侨城东路北延通道工程的施工及初期支护提供了数据支撑,也为类似条件隧道的围岩变形控制奠定了理论基础。     

深埋隧道支护结构内力计算方法研究

深埋隧道是交通建设中的关键,对其力学行为进行深入研究具有重要的理论和工程实际意义。针对既有研究的不足,考虑到深埋隧道支护结构力学响应的空间差异性和施工过程围岩-支护结构的动态作用关系,建立了围岩竖向荷载与径向位移关于隧道横截面角度变化的平衡微分方程,获得了围岩压力作用下复合支护结构的内力解析解。根据支护反力与围岩径向位移的关系,推导了初支与围岩、初支与二衬间的围岩压力与位移解析解。结合数值模拟和现场监测结果进行分析,证实了计算方法的可靠性和有效性。最后基于该解析方法,对支护结构厚度和弹性模量进行了参数分析。结果表明:支护结构的厚度和弹性模量与其弯矩正相关,且弹性模量对弯矩影响更大,初支厚度和弹模的变化对围岩压力和径向位移的影响比二衬对其影响更显著。研究成果可为准确预测支护结构任意截面位置的内力提供一定理论支撑。     

大凉山深埋软弱围岩公路隧道塌方机理及处治措施

为研究山区深埋隧道塌方机理,以乐西高速大凉山2号隧道工程为工程背景,采用有限元软件MIDAS GTS NX模拟塌方段围岩稳定性,对隧道塌方成因进行分析,提出相应处治措施,并通过现场监测验证其合理性。结果表明：该段处于泥砂岩地层与灰岩地层交界处,节理裂隙发育,岩体松散破碎,裂隙水的渗流使围岩稳定性降低导致隧道塌方;塌方段拱顶沉降量为177.02 mm,拱腰水平收敛量为68.21 mm,围岩变形量较大;围岩塑性区出现在上中台阶掌子面,应变最大值为3.027×10-²,将发生塑性破坏。采用大管棚＋双层超前小导管补强支护对塌方段进行加固,处治效果良好,为后续类似工程提供指导借鉴。     

特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩变形时空效应

为探明特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩时空效应规律,进而为类似隧道工程提供系统性借鉴,通过现场监控量测及大数据回归分析方法研究特大断面砂质板岩隧道Ⅴ级围岩变形时空效应。结果表明:隧道开挖,施做初期支护后,拱顶沉降及洞室围岩水平收敛过程分为3个阶段,分别为急剧变形阶段、缓慢变形阶段、稳定阶段;隧道开挖,施做初期支护25 d后,是施做二次衬砌最佳时机;隧道结构体系与掌子面空间距离约3倍洞径时,是施做二次衬砌最佳时机,且Ⅴ级围岩二衬距离掌子面距离不应大于50 m。     

泥质粉砂岩地层浅埋联拱隧道锚杆支护效果研究

锚杆在软弱围岩等特殊地层中的作用效果一直是近几年的研究热点。为了明确泥质粉砂岩地层中系统锚杆的作用效果,本文通过现场监测的方法研究了泥质粉砂岩地层联拱隧道取消锚杆试验段与布设锚杆试验段拱顶沉降、水平收敛、围岩压力以及钢拱架内力等监测项目的变化规律和异同。结果表明：取消锚杆试验段拱顶沉降、水平收敛与布设锚杆试验段差别不大;取消锚杆试验段围岩压力略大,但分布较为均匀,试验段围岩压力均小于理论计算值;联拱隧道先开挖洞拱架内力大于后开挖洞,布设锚杆试验段由于锚杆约束拱架的作用导致拱架受力较小;隧道大部分位置锚杆受压,轴力范围为-4.45kN~4.23kN,最大拉力占杆体极限拉力值的2.35%,锚杆抗拉效用无法得到充分发挥。     

成兰铁路特长深埋隧道岩爆段应力特征

为了探究高地应力环境下深埋隧道岩爆发生机理,掌握岩爆孕育规律,通过现场测试、数值分析及室内实验,对平安特长深埋隧道岩爆段围岩的二次应力场进行了分析,探明了隧道岩爆发生的力学机制,并运用经典应力岩爆判据指标,预测判断出岩爆发生强度及位置。研究表明：隧道侧壁处存在较大的压应力,是造成岩爆发生的主要原因;高地应力条件下,由于结构面等不利因素的存在,造成掌子面中部处原岩应力突发释放而引发高烈度的岩爆;在岩爆区段进行应力释放孔的布置,能够有效地释放原岩应力,减少岩爆发生的可能性。相关研究成果能够深化人们对于高地应力环境下岩爆发生机制的认识,为类似工程岩爆的防控及建设提供科学依据。     

大直径盾构隧道与下伏溶洞安全距离

岩溶发育地区的溶洞与在建盾构隧道之间的安全距离是一个重要的工程问题,如果溶洞与盾构隧道之间的距离过小则会导致隧道的失稳。本文基于武汉和平大道南延线隧道工程,在岩溶隧道失稳判断依据的基础上,设计选取围岩级别、侧压力系数、隧道的埋深和溶洞的大小四个影响因素来进行正交实验,同时采用了数值模拟与回归分析相结合的试验分析方法,探讨了影响安全厚度的因素,最终建立了下伏溶洞与隧道安全距离的预测模型。研究结果表明：在大直径盾构隧道下伏溶洞情况下,隧道的埋深、侧压力系数、溶洞的直径、围岩水平对于隧道安全距离的影响程度依次增加。安全距离与围岩级别呈负相关关系,与侧压力系数、隧道的埋深和溶洞的直径呈正相关关系。另外,通过对比验证试验区段典型断面的工程实例,证明了该安全预测模型在工程设计中具有参考价值。     

考虑黏聚力与内摩擦角的变坡面 浅埋偏压隧道围岩压力计算方法

为了研究变坡面浅埋偏压隧道中黏聚力与内摩擦角对围岩压力的影响规律,基于极限平衡法求解变坡面浅埋偏压隧道深、浅埋侧推力,进而推导出变坡面下独立考虑黏聚力与内摩擦角的围岩压力计算方法,通过与规范公式以及既有文献对比分析,验证了文章所提方法的合理性,并探讨了深埋侧水平侧压力系数的影响因素.结果 表明:水平侧压力系数随地面坡角的增加逐渐增大,随夹角(岩土体)的增加呈现先减小后增大的趋势,随黏聚力与内摩擦角的增加逐渐减小.此外,黏聚力的分算有利于考虑环境因素(如降雨)引起的岩土体力学参数(黏聚力)急剧变化带来的不利影响;而内摩擦角对隧道深埋侧水平侧压力系数影响较大,表明将内摩擦角进行分算对围岩压力计算具有重要意义.相关研究成果可为类似变坡面浅埋偏压隧道结构设计提供理论依据.     

深埋圆形毛洞隧道围岩压力拱范围研究

为揭示深埋圆形毛洞隧道围岩压力拱范围,基于复变理论及经典弹塑性理论,结合M-C屈服准则,提出了一种准确预测围岩压力拱内、外边界的方法,并通过数值计算验证了预测方法的正确性.在验证预测结果正确的基础上,研究了隧道埋深、侧压力系数和围岩条件3个主要因素对围岩压力拱范围的敏感性.研究结果表明:1)软弱松散岩体中深埋圆形毛洞隧道上半部分是施工的关键,施工时应考虑对隧道拱顶120°范围内采取适当的超前支护手段,以确保隧道施工安全;2)围岩条件较差时,隧道施工促使周边围岩松动区贯通,必要时建议采取全断面超前注浆加固措施,以防止围岩松动区进一步发展.研究理论为判定毛洞隧道周围松动区是否贯通和确定隧道超前支护的位置及范围提供参考.