高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响：以玉龙雪山隧道工程为例

为研究高地应力软岩隧道超前平行导洞开挖对主洞影响,依托玉龙雪山隧道工程,基于现场长期监测数据,结合有限差分程序FLAC3D建立数值分析模型,研究超前平导对主洞围岩应力、围岩位移和塑性区分布的影响,明确主洞与平导间最优间距。研究结果表明:主洞开挖过程中,当掌子面与监测面距离为3.63倍主洞洞宽时,监测面拱顶沉降、上收敛、中收敛和下收敛值占最终变形值的80%以上,围岩变形稳定后上收敛值和中收敛值均大于拱顶沉降;平导超前开挖可有效改善主洞围岩应力环境,主洞与平导间距较大时,围岩应力改善效果不佳,随着二者间距逐渐减小,围岩应力改善效果逐渐增强,但主洞与平导间距过小时,二者开挖产生的塑性区会贯通,综合考虑,确定主洞与导洞最优间距为3.5倍导洞宽度;主洞拱顶沉降值和拱底隆起值随着主洞与平导间距的减小而增大,左右拱腰水平位移值随着主洞与平导间距的减小先减小后增大,当二者间距由5.0D减小至3.0D时,拱顶沉降值和拱底隆起值分别从-0.598m和0.426m增加至-0.679m和0.514m。     

东秦岭隧道平导软弱围岩地段开挖及支护技术

东秦岭隧道施工中平导先行,结合平导在通过软弱围岩地段特别是以黑色碳质千枚岩为主的断层碎裂带时的施工实践,着重介绍了该种地质条件下包括超前预支护手段在内的隧道开挖及支护技术,为正洞隧道及今后其它隧道类似软弱围岩段的施工提供了成功的经验。     

齐岳山隧道F11高压富水断层带注浆施工技术

隧道岩溶、断裂带等高压涌水是隧道修建中比较难以解决的问题,隧道突涌水地质灾害频繁发生,成为影响隧道施工和安全的主要障碍。宜万铁路齐岳山隧道所穿越暗河、溶洞、断层破碎带等不良地质高压突涌水地段,给施工带来很大的困难。目前正在施工的齐岳山隧道F11断层破碎带,水压高、水量大、地质条件复杂,成为唯一制约全线的主要技术难题。以平导F11断层的注浆施工治水防坍为实例,介绍F11高水压断裂带治水防坍新方案、新工艺及效果检查新方法等,为以后类似工程积累经验。     

平导对控制高应力隧道围岩变形的作用机理分析

传统意义上,平行导洞的作用在于为正洞开挖探明地质,并通过一系列横通道实现正洞"长隧短打".此工艺不仅具有分部开挖的特点,还可利用导洞解决排水问题,导洞挖通后,还可改善洞内通风条件.研究的堡镇隧道右线出口高地应力环境下软弱围岩中的平行导洞,围岩变形量大,变形速率大,变形持续时间长,隧道破坏严重.主要表现为拱顶下沉、边墙内挤、喷混凝土剥落、钢拱架扭曲、底鼓及仰拱开裂翘起、衬砌开裂等,变形破坏具有不均匀性和不对称性.与平导围岩变形特征相反,平导扩挖时的变形特征具有均匀性和对称性.从工程岩体二次演化、应力场二次演化以及平导围岩和平导扩挖围岩变形破坏特征等方面进行分析,提出了平行导洞在穿越高地应力软岩中能释放应力、减弱正洞围岩变形的破坏程度.     

平导对控制高应力隧道围岩变形的作用机理分析

传统意义上,平行导洞的作用在于为正洞开挖探明地质,并通过一系列横通道实现正洞“长隧短打”;不仅具有分部开挖的特点,还可利用导洞解决排水问题,导洞挖通后,还可改善洞内通风条件。本文所研究的堡镇隧道右线出口高地应力环境下软弱围岩中的平行导洞,围岩变形量大,变形速率大,变形持续时间长,隧道破坏严重,主要表现为拱顶下沉、边墙内挤、喷混凝土剥落、钢拱架扭曲、底鼓及仰拱开裂翘起、衬砌开裂等,变形破坏具有不均匀性和不对称性。与平导围岩变形特征相反,平导扩挖时的变形特征具有均匀性和对称性。本文从工程岩体二次演化、应力场二次演化以及平导围岩和平导扩挖围岩变形破坏特征等方面进行分析,提出了平行导洞在穿越高地应力软岩中具有释放应力、减弱正洞围岩变形破坏程度的观点。     

硅藻土地层隧道初期支护力学行为现场试验研究

以杭州经绍兴至台州高铁飞凤山隧道工程为依托,对隧道穿越典型硅藻土地段期间的初期支护结构力学行为进行现场试验研究.测试项目主要包括围岩与初期支护之间、初期支护与二次衬砌之间的接触压力,初期支护钢架应力、初期支护喷射混凝土应变等.测试结果表明：管棚适用于洞口段硅藻土地层,能有效控制洞口段拱顶沉降;而超前小导管适用于洞身段自稳时间短的软弱硅藻土地层,能够改善围岩,控制拱顶沉降.初期支护安全系数随着隧道施工推进而逐渐降低并趋于稳定,此过程可被划分为急剧降低阶段（掌子面通过后0～20 d或0～20 m内）、缓慢降低阶段（掌子面通过后20～40 d或20～30 m内）、稳定阶段（掌子面通过后40 d或30 m以后）3个阶段.型钢钢架及格栅钢架均能适用于硅藻土地层隧道,但型钢钢架有更强的控制拱顶沉降能力,尤其是控制隧道开挖早期较大变形.型钢钢架与围岩之间的接触压力基本在10 d内达到峰值,而格栅钢架在30～40 d达到受力峰值,而后趋稳.相关研究成果可为依托工程及今后类似工程提供参考.     

富水岩溶隧道掌子面安全岩柱厚度研究

富水岩溶隧道施工时掌子面前方的安全岩柱对保障隧道的安全施工至关重要。为了计算出较为合理的隧道掌子面安全岩柱厚度,以华丽高速营盘山隧道为依托,基于塑性区贯通准则及位移突变准则,建立三维流固耦合数值模型,分别对不同埋深、溶洞内水压力及开挖方法下的掌子面安全岩柱厚度进行了研究,并给出掌子面安全岩柱厚度的区间。结果表明：隧道安全岩柱厚度随隧道埋深及掌子面前方溶洞内水压增加而增大;隧道一次开挖洞径越小,支护越及时,安全岩柱厚度越小;最小安全岩柱厚度区间随隧道埋深增加而增大,但随掌子面前方溶洞内水压增大而减小。采用CRD法开挖时,掌子面安全岩柱厚度及安全岩柱厚度区间均最小,对岩溶隧道掌子面的稳定性也最好。     

隧道隔水板安全厚度数值模拟与模型试验研究

为获取在不同地应力、围岩类型以及水压下隧道突水时的最小安全岩层厚度,基于深长隧道最小安全岩层厚度概念,采用岩石的相似原理,研制了一种用于模拟突水灾害的模型试验系统,主要由主装置、模型试样压实装置和掘进装置组成,该模型试验系统可实现对不同地应力、围岩类型以及水压的模拟.研究结果表明:当试验围压、轴压设定为0.42 MPa时,水压为0.14 MPa时,获得了突水时模型最小安全隔水板厚度为31.12 mm,换算成真实岩石的厚度为3.112 m,与FLAC3D建模计算得到的最小安全隔水板厚度3.33 m比较接近,从而验证了模型试验的可靠性.     

富水砂层大断面暗挖隧道施工地层演化

对于施工环境复杂的暗挖隧道工程,科学合理掌握施工地层演化过程是安全施工的前提.以北京地铁12号线光熙门站—西坝河站区间富水砂层大断面暗挖隧道工程为研究背景,借助FLAC3D有限差分软件,对工程设计施工方案进行模拟,得到了施工过程中地层孔隙水压力、地层沉降损失演化过程,并与现场监测数据进行对比验证,为工程施工规避风险源提供参考.结果 表明:施工掌子面孔隙水压力集中位置主要在暗挖隧道上方注浆形成的"注浆拱"拱顶以及断面未注浆范围;隧道施工过程中,沿施工掘进方向在施工掌子面前、后10 m到掌子面位置范围内,是发生涌水关键位置;地层沉降值经历了由沿中轴线对称分布到集中在中轴线位置处的变化过程,最后沉降值沿中轴线对称分布,导洞1施工掌子面处地表沉降值稳定在12 mm左右;初期支护拱顶沉降以及拱脚水平收敛均分别在45、30 d达到稳定;现场反馈的施工信息与模型计算地层演化过程相吻合,计算结果可为富水砂层大断面暗挖隧道施工方案的选择提供参考.     

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。     

软弱风化薄基岩赋存特征及其采动覆岩破坏规律

从矿区软弱风化薄基岩的赋存特征、赋存规律及矿区上覆水体类型和水文地质条件入手进行分析,结合相似材料模型模拟试验,获得了研究区薄基岩下开采覆岩破坏的基本规律及“三带”的发育特征.对薄基岩下采煤厚度3 m时的垮落带及导水裂隙带发育高度进行计算,计算结果分别为11.5m和42 m.根据地质采矿条件利用离散元数值模拟对薄基岩开采上覆岩层矿压运动规律进行了研究,结果表明,基岩较薄条件下,老顶来压断裂步距小,工作面前方支承压力分布范围为12 m,支承压力峰值点在工作面前方4～12m内,小于厚基岩工作面,但工作面矿压显现明显;对不同煤层采厚情况下垮落带的高度与导水裂缝带的发育程度进行确定;为煤层安全开采提供定量判据,为防治水工作提出相应的措施.     

厚煤层放顶煤长壁工作面矿压研究

本文在分别采用长顶梁及短顶梁两种掩护支架的两个工作面开采试验的基础上对厚约6m的长壁放顶煤回采时上覆岩层及顶煤活动规律,支架受载及合理架型作出分析,认为放顶煤工作面支架截荷并不高于类似条件下小采高的分层工作面。长顶梁支架适用于顶煤较硬的条件,若采用超前工作面平行煤壁深孔注水可降低煤体强度,增加顶煤放出率。试验中观测到上覆竖硬岩层超前工作面断裂迫使顶煤于工作面前8m处就开始产生斜向断裂裂缝,并逐渐扩展,加密而降低其刚度。因此,放顶煤工作面支架实际处于工作面前方煤体及后方岩石支承的上覆台阶错动的平衡岩石块梁结构的掩护下,其截荷主要为顶煤及下覆破碎直接顶的重量。图7,表5,参3.     

高承压水体上开采底板岩层变形特征研究

在承压水体上开采时,煤层底板突水过程是一个复杂的非平衡、非线性的演化过程。结合朱庄煤矿3629工作面实例,利用理论分析、相似材料模拟研究方法探讨了高承压水体上开采底板变形规律,解析煤层底板隔水层在采动矿压及底板含水层水压的复合作用下的破坏深度、应力传播特征、底板突水极限压力,并将解析解应用于朱庄煤矿3629工作面底板突水预测的实际工程中,取得较好的实际应用效果。     

采场超前支承压力分布规律与巷道稳定性

采场超前支承压力的分布情况直接影响巷道稳定性。根据双鸭山矿业集团公司新安煤矿六采区综三工作面概况,采用顶板相对位移观测、锚杆锚索受力观测、单体液压支柱工作阻力观测相结合的方法,研究了综三工作面超前支承压力分布规律与回采巷道稳定性。结果表明:工作面超前移动支承压力影响范围为工作面前方35 m,峰值点位于工作面前方20～25 m处;在锚杆、锚索联合支护的条件下,上下回采巷道均处于相对稳定状态。该结果为类似条件下确定工作面合理超前支护范围和分析回采巷道稳定性提供了依据。     

综采放顶煤工作面顶板涌水机理分析

通过对大佛寺煤矿40108工作面顶板涌水特征与涌水期间工作面顶板压力显现情况的对比分析,找出了顶板压力与涌水之间的相关性。并利用覆岩关键层理论以及采场覆岩在周期性来压作用下的变形破坏规律,分析了造成工作面涌水的机理,为工作面防治水工作提供理论依据。     

中厚煤层采场围岩破坏规律准动态数值模拟研究

以杨村煤矿8601综采面地质及开采条件为背景,采用大型非线性三维计算机数值模拟,对不同推进步距的采场围岩变形与破坏进行了准动态模拟研究。结果表明,随着工作面推进,煤层底板岩层具有采前应力升高、采后应力降低和恢复三个阶段,并每隔22m重复出现;受采动影响的岩层在采空区中间下沉值最大,向两侧逐渐减小;底板临界破坏深度为5m;应力集中系数为1.25。     

土压平衡盾构土仓压力对地表沉降的影响

以广州地铁4号线盾构施工为工程背景,采用三维数值分析方法和现场测试等手段,对土压平衡盾构土仓压力变化引起的地表沉降变形规律进行了系统研究。结果表明:随着土仓压力的增加,掌子面后方地表沉降在减小,而掌子面前方地表隆起却不断增加,隆起一般出现在掌子面前方10 m范围内;当土仓压力处于超平衡状态时,地表隆起值增大,地表沉降值减小,且沉降减小量远大于隆起增加量;就地表沉降量而言,超土压平衡引起的地表沉降量最小。在满足盾构前方土体不被破坏的前提下,增加土仓压力是减小地表沉降的有效手段。     

地表水体下厚煤层综放工作面安全开采技术

为了保证地表水体下综放工作面安全回采.以山西某矿为试验矿井,采用钻孔电视和分段注水试验对矿井导水裂缝带发育高度进行探测,对地表沉降进行了监测分析,并对水体下工作面开采进行了涌水量监测,实现了水体下工作面的安全回采.研究结果表明:厚煤层综放工作面导水裂缝带发育高度为119.7～127.2 m,裂采比为19.9～21.1;工作面回采前裂隙数量为1～2条,宽度以4 mm为主.当工作面回采后,在132～148 m范围内,裂隙数量最多增加到7条,裂隙宽度可达8 mm.在148～160 m范围内,裂隙数量和宽度与工作面回采前持平;工作面回采后,地表最终产生拉裂缝,最大深度为6.5 m,不会造成地表河水的突然下泻;地表水体下工作面回采过程中无留设保护煤柱,最大涌水量与非水体下工作面开采持平,工作面回采过程中地表水未进入到工作面,实现了安全回采,为类似矿井提供了借鉴.     

复杂地质条件下炮采工作面超前支承压力的研究

文中以刘河矿13031炮采工作面为实验工作面,采用现场实测和数值模拟的方法研究了复杂地质条件下炮采工作面的超前支承压力影响范围以及强度,为该条件下工作面的超前支护范围和强度提供依据。研究表明:超前支承压力峰值位置为工作面前方10 m,峰值强度为20MPa,超前支承压力影响范围为工作面前方0~50 m,其中剧烈影响区域为工作面前方0~23 m.