考虑劣化效应与支护时机的深埋软岩隧道变形分析

深埋软岩隧道的围岩变形与其自身参数劣化、流变特性及支护结构施作时机等密切相关.借助建立的深埋软岩圆形隧道复合式衬砌力学模型,在考虑塑性区围岩强度参数(黏聚力、内摩擦角)和刚度参数(弹性模量)的劣化效应后,基于统一强度准则得到了复合式衬砌支护结构各个支护阶段的围岩黏弹塑性解析式.研究结果表明：适当考虑中间主应力及围岩强度参数、刚度参数的劣化效应后,得到的变形量与深埋软岩隧道围岩的实际变形量吻合效果更好;残余黏聚力、残余内摩擦角、残余弹性模量对围岩瞬时变形、后期蠕变变形、二次衬砌支护抗力影响均较大,而且取值越小时围岩变形量与所需二次衬砌支护抗力越大;增加锚杆长度、缩小锚杆间距、增大初支厚度能有效控制围岩瞬时变形和后期蠕变变形;二次衬砌的施作时机对围岩后期蠕变变形影响较大,围岩瞬时变形结束后尽快施作二次衬砌可以有效控制围岩后期蠕变变形.     

金川Ⅲ矿区硐室围岩蠕变特性与支护时机

针对金川Ⅲ矿区硐室围岩蠕变控制问题,通过对破碎工程系统中大件道工程围岩变形的监测发现有明显的流变特性,即包括急剧变形、减速变形以及变形趋于稳定的三个阶段.分析了围岩应力环境、矿物成分和地下水对硐室围岩变形的影响,提出了适合高地应力构造影响带围岩流变模型,并对流变参数作了分析.根据金川岩体流变过程是由弹性、塑性、黏弹性和黏塑性等多种变形共存的一个复杂过程,呈现出高度的非线性的特征,从理论上分析二次支护的最佳时机,即金川Ⅲ矿区深部岩体在开挖并进行一次支护后的第3周内可作为最佳的二次支护时机,允许变形量应控制在50～150 mm.     

大型地下洞室围岩最佳支护时间的判定

对新奥法在大型地下洞室施工中的二次支护时间的现有判据进行分析,发现其考虑因素欠全面,主要以变形量或变形速率为主,洞室位移相对值不适应大型洞室.以围岩变形为研究对象,提出大型洞室围岩变形达到总变形的80%、洞室周边水平收敛速度小于0.2 mm/d、顶拱或者底板垂直位移速率小于0.1 mm/d、隧洞周边水平收敛速度以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降、位移加速度应基本接近于0作为大型地下洞室最佳支护时间的判据.为了验证该判据的合理性,选择了向家坝大型地下洞室一个断面,按照实际开挖顺序,计算了不同开挖层的最佳支护时间.向家坝地下洞室该断面处围岩拱顶、不同开挖层上下游侧边墙最佳支护时间在8～18 d之间,较好地符合了向家坝实际支护时间.     

基于软破围岩锚喷支护位移理论的隧道支护时间分析

从软破围岩锚喷支护位移理论出发,结合野狐岭二号隧道工程实例,运用理论分析和现场监测,研究了软破围岩隧道开挖过程中围岩的时间和空间效应,并对空间围岩位移的释放进行了分析.在此基础上,根据围岩的围岩流变曲线进行合理的支护时间选择.结果表明,软破围岩隧道开挖后的时间和空间效应明显,易产生过大的位移,岩体流变的结果能够导致围岩或支护结构破坏.由于软破围岩存在流变特性,通过现场监测和理论计算,根据位移流变曲线确定合理的二次支护时间,突破了过去经验或类比的支护时间确定方法,相关设计参数与现场实际监测数据非常吻合.     

隧道时效大变形灾害的数值模拟与处治技术研究

随着我国社会经济的快速发展,高速铁路、公路和水利水电等工程的大规模建设,隧道软岩流变带来的大变形灾害越来越多.依托福建永宁高速石林隧道软岩大变形灾害相关问题,采用流变本构对大变形段进行了数值模拟分析,确定了二次衬砌最佳支护时段,并结合工程实际提出了大变形段围岩变形的控制技术.     

基于软破围岩锚喷支护位移理论的隧道支护时间分析

从软破围岩锚喷支护位移理论出发,结合野狐岭二号隧道工程实例,运用理论分析和现场监测,研究了软破围岩隧道开挖过程中围岩的时间和空间效应,并对空间围岩位移的释放进行了分析。在此基础上,根据围岩的围岩流变曲线进行合理的支护时间选择。结果表明,软破围岩隧道开挖后的时间和空间效应明显,易产生过大的位移,岩体流变的结果能够导致围岩或支护结构破坏。由于软破围岩存在流变特性．通过现场监测和理论计算,根据位移流变曲线确定合理的二次支护时间,突破了过去经验或类比的支护时间确定方法,相关设计参数与现场实际监测数据非常吻合。     

深部高应力破碎软岩巷道支护技术研究及其应用

针对深部高应力破碎软岩巷道围岩变形量大、变形剧烈、底臌严重、流变性强、支护难等特点,基于巷道围岩松动圈地质雷达探测、收敛变形监测等地质力学测试技术,揭示深部高应力破碎软岩巷道变形破坏特征;采用数值模拟技术手段,从围岩强度特性、流变特性、巷道断面形状、软岩巷道群开挖相互影响、支护设计这5个方面分析深部高应力破碎软岩巷道变形破坏机理。针对安徽省淮南市朱集西矿深部开拓巷道特征与工程地质条件,提出"锚网索喷+U型钢支架+注浆+底板锚注"分步联合支护技术方案;基于大型三维模型试验系统,验证分步联合支护技术方案的可行性;采用FLAC 3D研究分析不同支护方案的支护效果,模拟验证分步联合支护方案的合理性。研究结果表明:分步联合支护技术方案有效地控制了深部高应力破碎软岩巷道的大变形与底臌,保证了巷道围岩与支护结构的长期稳定及安全。     

软弱围岩隧道支护设计优化研究

在软岩隧道工程中,由于围岩地质条件多变,合理的支护参数难以选取,合适的支护时机也相对较难,使得工程应用有较大的困难.通过对软岩隧道支护机理的分析,运用数值模拟建立三维有限元模型,对软岩隧道支护参数进行优化,提出优化支护方案,对软岩隧道设计及施工提供理论指导.     

深埋软岩巷道高预应力恒阻耦合支护技术及其应用

针对深埋软岩巷道揭煤段掘进过程中围岩变形控制的问题,以石垭口煤矿1790回风石门为背景开展研究。首先,依据现场工程地质调查与实测结果分析了巷道揭煤段变形破坏特征;其次,采用理论分析与数值模拟等综合研究手段,揭示了深埋软岩巷道揭煤段大变形破坏机理;第三,基于开挖补偿力学效应和NPR(negative Poisson’s ratio)长、短锚索耦合控制机理,提出了以NPR长、短锚索为核心的高预应力恒阻耦合控制技术;最后,通过数值模拟的手段验证了该方案的合理性。研究结果表明：巷道存在围岩变形严重、支护结构破断失效和巷道维护成本高等特征;巷道失稳破坏的根源在于围岩强度低且破碎严重、原支护结构不耦合以及支护强度不足;本文提出全断面“NPR长、短锚索+底角注浆锚杆+反底拱”的控制方案与参数。现场工业性试验中,NPR支护段较普通支护段围岩变形减小300～500 mm,NPR锚索受力最终稳定为340 kN左右。高预应力恒阻耦合支护方案可有效控制深埋软岩巷道揭煤段围岩大变形,为揭煤段围岩安全稳定控制提供了新支护手段。     

唐口煤矿深部软岩巷道支护技术研究

通过对唐口煤矿深部高应力软岩巷道的FLAC 3D数值模拟,揭示了深部高应力软岩巷道开挖后的围岩应力场、位移场及塑性区的演化规律;提出了锚注联合支护技术,对比研究了3种支护方式的支护效果,并在施工过程中通过现场监测及时反馈监测信息进行支护方案及参数优化设计。工程实践表明,锚注联合支护技术能够较好地控制深部高应力软岩巷道围岩的大变形、强流变和底臌。     

深埋隧洞围岩大变形与支护结构力学特性研究

针对软岩地区深埋隧洞建设过程中发生的围岩与衬砌结构之间变形量大、让压能力差、持续时间长等问题,采用"收敛-约束"法、数值模拟等综合手段,对目前塑性材料充填复合衬砌的实际应用效果、围岩和支护结构的变形情况进行研究,以确定对围岩稳定性有利的支护结构.结果表明,塑性材料充填复合衬砌能够适应更大的围岩变形量,吸收一定的围岩应变能和适应围岩的变形,并起到对二次衬砌结构的保护作用,在一定程度上能提供足够的支护力以保持围岩的稳定.     

白鹤滩水电站左岸地下主副厂房上部开挖围岩稳定监测分析

白鹤滩水电站左岸地下厂房为国内特大型地下工程,地质条件复杂,洞室稳定及安全问题成为工程重点关注和研究的内容之一.为了解洞室围岩的实际变形特性,调整支护参数,布置了较为全面的安全监测系统.本文主要介绍了地下厂房上部开挖过程的围岩变形及锚固效果监测,监测结果表明,由于开挖支护控制较好,围岩变形和受力状态正常;并通过对开挖全过程变形监测资料的分析,获得了开挖过程对围岩变形的影响范围,本实例可供同类工程借鉴与参考.     

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。     

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。     

高应力软岩隧道施工的时空效应分析

以湖南某高应力软岩隧道为背景,应用有限元软件ABAQUS对其施工的时空效应进行了分析,并对其影响范围及大小进行了研究,结果表明:高应力软岩隧道围岩稳定很大程度上受到隧道的"空间效应"及"时间效应"的影响,同时指出在施工时应尽早施加初期支护提高围岩自承能力,在围岩变形趋于稳定时施加二次支护坚决抑制软岩的流变所引起的大变形.     

围岩时变承载能力定量评估的LDP-GRC耦合新方法

为定量判断二次支护时机,在围岩自承载系数基础上考虑岩石的流变力学性质,采用Boltzmann流变模型推导了围岩时变承载系数,研究了时间轴上围岩自承能力的变化过程和发挥程度.并以围岩时变承载系数为基础建立考虑时变效应的LDP和GRC曲线耦合新方法,定量得出二次支护时机及围岩时变承载系数间的相关关系.研究结果表明:1)不同隧洞断面处的围岩自承能力随时间变化趋势相似,都是开挖初期围岩自承能力迅速变弱,随后慢慢趋于稳定;经过相同的蠕变时间,距离开挖面越远,围岩自承能力越弱.2)同一隧洞断面处,时间越早围岩时变承载系数越大,围岩自承能力尚未充分发挥,不宜进行二次支护,即二次支护时机应该避开初期围岩自承能力变化剧烈时段.     

通渝隧道围岩收敛位移量测实践

通渝隧道地质条件复杂,集涌水、岩爆、塑性变形、高地应力于一身,是典型的复杂条件下的长大公路隧道.在施工过程中,严格进行了新奥法监控量测指导施工,特别是围岩收敛量测,并及时将量测散点的数据进行回归处理,将得出的信息反馈于施工,以了解隧道开挖后围岩的稳定情况以便采取相应的支护措施.重点介绍了通渝隧道围岩收敛量测的方法及其数据回归分析的原理,并对量测结果进行了统计,结果表明通渝隧道一般在开挖后35 d左右或围岩的当日变形速率小于0.1 mm/d起,隧道围岩变形即进入基本稳定期,并且当围岩变形都达到最终变形的80%以上,可进行二次衬砌,即二衬的合理时机为开挖后35 d左右,从而加快了施工进度,为类似工程提供重要的参考依据.     

基于四阶段模型的深埋硐室围岩分区受力分析

为研究硐室开挖过程中选择支护时机的力学机理,首先,建立圆形硐室分区受力模型,基于Mohr-Coulomb屈服准则,考虑围岩扩容、软化等岩体特性以及“空间效应”,推导出开挖过程中硐室围岩弹塑性解;然后,选择锚杆、衬砌支护时机,考虑锚杆与围岩的耦合作用和初衬混凝土的时效特性,得到支护条件下围岩的弹塑性解;最后,结合算例分析了“空间效应”、支护时机等因素对硐室围岩塑性区应力、位移 和范围的影响。基于理论研究的算例分析,揭示了考虑“空间效应”和支护时机时硐室各分区范围的变化规律;锚杆间排距对围岩位移的控制主要体现在残余区;硬化区扩容系数、开挖过程中的“空间效应”和支护时机对控制围岩位移的作用不容忽视。该文成果为深埋软岩硐室开挖与支护设计提供一定的理论依据。     

黏弹性条件下大跨度公路黄土隧道二次衬砌施作时机

为研究大跨度公路黄土隧道二次衬砌施作时机,以神府(神木—府谷)高速公路墩梁隧道为依托,采用现场测试、数值模拟和理论分析相结合的方法,首先对隧道拱顶变形进行现场测试,揭示其变形规律,提出了基于隧道二次衬砌安全临界状态的最佳施作时机计算方法;其次根据黏弹性条件下隧道围岩变形理论公式,结合现场监测数据反演分析得到围岩Kelvin模型流变参数;最后利用提出的最佳施作时机计算方法和Kelvin流变模型,通过数值模拟研究了黏弹性条件下大跨度黄土隧道二次衬砌最佳施作时机。结果表明:大跨度公路黄土隧道变形经历急剧变形、持续变形和缓慢变形3个阶段,各阶段产生的沉降值分别为最大沉降值的67.7%,21.7%和10.6%;Kelvin模型中蠕变参数黏性元件黏滞系数η为2.75×10~(14) kPa·s,与黏性元件串联的弹簧元件弹性模量E_1为138.3 MPa,与黏性元件并联的弹簧元件弹性模量E_2为321.5 MPa;大跨度公路黄土隧道Ⅴ级围岩深埋段二次衬砌最佳支护时机为初期拱顶下沉速率小于0.3 mm/d。     

支护时机对洞室围岩变形的影响

为了维护地下洞室群的稳定，如何采取合理、适时的支护一直是工程界所关心的问题.基于施工力学的分析方法，建立了地下洞室分期开挖、适时支护仿真计算的有限元列式.结合工程实例的计算，分析了不同支护时机对地下洞室洞周围岩变形的影响，得到了一些对工程施工有参考价值的结论.