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。     

基于FLAC3D模拟隧道有无支护应力与位移演化特征

为确保隧道断面围岩稳定,保证隧道开挖顺利,基于某隧道工作面为研究背景,通过FLAC3D数值模拟软件,模拟隧道断面围岩开挖后无支护措施,及施加挂网喷浆结合锚杆支护后的围岩塑性区、应力及位移的分布情况,并结合Hoek-Brown准则分析隧道围岩有无支护的破坏条件,分析隧道断面稳定性。结果表明:当隧道开挖,围岩未施加支护,围岩四周位移量较大,岩体应变范围较广,严重影响隧道断面围岩稳定性;当隧道边开挖边支护,围岩施加挂网喷浆结合锚杆支护后,应力及位移得到较大改善,实现了对围岩有效控制,确保隧道断面顺利通过,为相似地质条件隧道围岩支护提供借鉴。     

高地应力破碎围岩隧道变形受力特征试验研究

高地应力破碎围岩地层在开挖隧道过程中极易发生大变形、钢架扭曲、局部垮塌等灾害。以天平铁路关山隧道为依托,通过监测两个试验段内的围岩压力、初期支护受力与变形、二次衬砌混凝土应力的分布特征,来探讨高地应力破碎围岩地层中不同断面形式和支护参数情况下隧道支护结构的变形与受力特征。结果表明:在以水平地应力为主的破碎围岩地层中,隧道开挖引起的变形以边墙水平收敛为主,拱顶沉降次之;高边墙小曲率断面形式的单线铁路隧道受力和变形均较大,而增大边墙曲率可有效抑制隧道开挖引起的变形,使支护结构受力更为均匀,受力状态明显改善。研究可为高地应力破碎围岩地层中隧道设计提供一定的参考。     

高速铁路隧道围岩大变形特征及机理分析

为研究高速铁路隧道围岩大变形的特征及其机理,以沪昆客运专线湖南段杨家隧道发生大变形塌方为工程背景,对隧道围岩大变形引起地表裂缝及初支侵限进行了介绍.选取隧道大变形里程段的典型断面设置多个监测断面,通过监控量测等手段对其灾变期变形特征展开了分析,在此基础上,从岩性、地质构造、围岩赋存环境三个方面分析了杨家隧道发生大变形的机理,能够为该隧道发生大变形后采取相应措施提供理论依据.     

三车道大断面高速公路隧道信息化施工

本文通过对三车道大断面高速公路隧道的现场监控量测,并对各量测项目进行分析,分析结果：DK23＋296断面最大累计拱顶下沉量为5.85mm,最大累计水平收敛为4.278mm,且最终拱顶下沉变化速度小于0.2mm/d,即该断面的变形已达到稳定;DK23＋190断面围岩压力较小,最大值为-0.093791MPa;钢支撑内侧最大值为27.134MPa,外侧最大值为7.194MPa;锚杆轴力最大值为2.4kN;围岩位移最大值为1.36mm。各受力考察参数均较小,远小于允许应力,围岩-支护体系已趋于稳定;从监测结果看,各量测断面现阶段变形稳定,洞室安全,衬砌受力及变形在合理范围之内,可继续按设计进行施工。配合和指导现场施工,确保了隧道施工的安全和结构的稳定,并积累了经验,可用于类似工程借鉴。     

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。     

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.     

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。     

大断面浅埋黄土隧道大变形控制技术及效果分析

为研究超大断面浅埋黄土隧道大变形控制技术及效果,依托隧道大变形事故案例,对隧道围岩变形破坏特征及原因进行分析,结合隧道地质条件及围岩特性,提出了合理有效的围岩变形控制技术及施工工艺,并应用数值模拟和现场测试对3种加固措施工况下的变形及应力进行分析。研究结果表明:超大断面浅埋黄土隧道围岩变形主要表现为前期变形速率大,变形持续时间长,累计变形量大,拱顶最大累计沉降为124.3 cm,围岩变形受开挖扰动和持续降雨影响显著;采取临时套拱加固有效抑制变形的持续发展,避免塌方事故的发生,而径向注浆加固和强化支护参数为后续顺利完成大变形段换拱施工提供安全保障;浅埋偏压地段采用地表超前预注浆技术,有效地改善上覆围岩特性,后续施工累计变形均在预留变形量范围内,确保了施工安全和进度。     

超大埋深软岩隧道超前中导洞合理断面尺寸及应力峰值转移机制

在超大埋深软岩隧道中,通常地应力较高,且围岩软弱破碎,在施工过程中不可避免的会出现大变形现象,造成支护结构失效破坏。采用超前中导洞应力释放技术提前释放地应力,可以改善支护结构的受力状态,减小隧道变形量,保证支护结构的安全。本文依托丽香线哈巴雪山大变形隧道,采用文献调研、数值模拟及现场监测等手段对超大埋深软岩隧道超前中导洞合理断面大小进行研究,分析了中导洞不同断面大小工况下应力释放效果,最终确定中导洞合理断面大小。研究结果表明,超前中导洞断面为正洞断面面积的0.6倍时,应力释放效果较为理想,相比直接开挖正洞,采用合理超前中导洞断面时,正洞拱顶沉降及上、下台阶水平收敛值分别减小28.2%、27.64%和26.71%,且围岩中切向应力峰值向围岩深部转移了约4 m,同时,应力峰值数值有所减小,减小约5.04%。研究成果可为类似大变形隧道工程提供参考与借鉴。     

基于修正西原模型与Lade-Duncan准则的隧道围岩蠕变效应研究

为探究软岩隧道围岩变形的蠕变时效性,采用非定常黏滞体对西原模型进行修正。基于Lade-Duncan准则,分析了围岩黏弹性和塑性阶段隧道围岩变形过程,推导得到了隧道围岩黏弹塑性解。以某高速公路隧道为工程研究对象,计算了蠕变时效过程的围岩位移值;并通过现场拱顶沉降监测的方法,实测了隧道围岩的蠕变变形,通过对比理论计算值与现场实测值,验证了理论计算的准确性。理论计算显示,当t=0时,隧道围岩将发生蠕变现象,此时围岩位移值为17.890 mm;当t为常数时,围岩位移随着时间的变化逐渐增大;当t=∞时围岩发生充分蠕变,围岩位移达到极值为26.451 mm。现场监测结果显示,围岩变形第一次稳定拱顶累计变形为19.1 mm,此后进入蠕变阶段,达到第二次稳定拱顶累计变形为29.3 mm。初始蠕变变形的理论计算与实际监测结果之间的误差为6.76%,最终蠕变变形的理论计算与实际监测结果之间的误差为10.77%,两者误差较小,反映了理论计算具有较高的准确度。在理论层面,考虑蠕变效应后围岩变形增加了47.85%;在实际层面,考虑蠕变效应后围岩变形增加了53.4%,皆反映了蠕变效应举足轻重的作用。由此可见,对于软岩隧道在进行支护设计时,必须考虑蠕变效应,避免因后期围岩蠕变效应导致初支失效进而影响隧道的整体稳定性。     

片麻岩大断面双洞隧道施工的动态特性

以兰州市北环路大断面双洞隧道工程为研究背景,采用台阶法进行施工,以ADINA有限元软件为计算平台,建立隧道开挖数值模型,对片麻岩大断面双洞隧道模型进行分析:研究地表位移、围岩位移与内力、锚杆轴力的特点及其变化规律.结果表明对片麻岩大断面双洞隧道采用台阶法施工时,分步开挖对地表竖向位移较水平位移影响大,最大竖向位移值为10.71mm,位于双洞隧道间岩柱上方;上、下台阶土体开挖会对隧道围岩位移及等效应力产生较大影响,应及时进行拱顶初期支护;锚杆轴力集中分布于边墙部位,且沿其辐射方向呈现不断减小的趋势,应对边墙部位锚杆进行加强处理.     

任意形状隧道围岩应力与位移的解析延拓求解

考虑隧道断面开挖轮廓线为任意不规则形状的情况,基于复变函数方法中的解析延拓法对弹性半无限空间内隧道的围岩应力与位移进行求解,建立了任意形状隧道围岩中任意一点处的应力值和位移值的隐式解析表达式。然后以圆形断面隧道作为特例,同时考虑隧道衬砌等内支撑法向反力作用的影响,求解出弹性半空间内任意一点处的应力值和位移值解析解的具体显式表达式,其中假设隧道埋深与隧道直径之比较大,从而不用考虑重力梯度的影响,将重力简化为作用在边界上的均布外荷载。最后与已有的非均匀受压圆断面水平巷道围岩的应力和位移解公式进行对比,证明了该方法的准确性。该求解方法拓展了解析延拓法的应用,并能快捷地评估任意断面形状隧道开挖中的围岩应力状态及位移变形情况。     

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).     

浅埋黄土隧道不同施工与加固方法的颗粒流数值模拟

针对浅埋黄土隧道在开挖过程中发生的拱顶过量沉降问题,采用颗粒离散单元法模拟了不同开挖方法和加固措施对围岩稳定和变形的影响,分析了6种工况的围岩压力分布和位移发展情况,讨论了开挖方法和加固措施对隧道围岩稳定的影响.模拟结果显示,隧道拱肩和拱脚应力集中处水平位移较大,拱部和边墙开挖为黄土隧道留核心开挖施工中的关键工序,施工中宜及早支护避免隧道发生过大变形.浅埋黄土隧道拱顶下沉量远大于周边收敛;对于相同的支护形式,留核心土下部全断面开挖法产生的位移总量约为留核心土下半断面分部开挖法的1.2倍;对于相同的开挖方法,无超前注浆支护产生的位移总量约为有超前支护的1.5倍;而有无系统锚杆的隧道围岩变形量基本相同.研究表明,浅埋黄土隧道可采取超前导管注浆减小隧道开挖变形,而系统锚杆由于支护效果不明显可考虑取消.     

超大断面隧道双侧壁导坑法开挖步序优化

重庆市轨道交通5号线1期3标段为富水浅埋扁平超大断面隧道工程,采用9步双侧壁导坑法中的对称开挖步序施工。应用MIDAS-GTS软件建立隧道三维有限元模型,计算了3种不同开挖步序条件下地表沉降、围岩变形和支护结构受力情况,并将计算结果与现场监测数据进行了对比验证。验证结果表明:扁平超大断面隧道拱顶区域受力作用面较大,拱顶区域围岩及喷混支护应力较大,拱顶稳定性较低,拱脚应力集中。施工阶段隧道结构对横向变形较为敏感,3种开挖步序拱脚水平收敛值曲线随施工步序呈现多台阶变化;中隔墙核心土拆除时,水平收敛值及拱顶沉降值曲线出现突变,该阶段应增大监测频率。对3种施工步序进行了数值模拟,提出了本工程地质条件下大跨扁平隧道施工的合理步序。     

兴源隧道围岩变形与初期支护受力特征分析

软岩隧道具有变形大,稳定时间长的特点,无论是对于设计还是施工,一直是困扰隧道建设者们的难题。本文以滨绥铁路兴源隧道现场试验段拱顶沉降,围岩压力及钢架应力的监控量测值为依据,分析研究了初期支护的变形和受力特征。研究结果表明:炭质页岩的初期变形速率较大,围岩压力,钢拱架应力一致呈现出"急速变形-缓慢变形-变形趋于稳定"的特点,因此对初期支护早期的强度和刚度要求较高;地下水对于炭质页岩隧道的危害相当大,采用适当的排水、降水措施是保证隧道进度和安全的关键;为了避免台阶法开挖时同一个断面的钢拱架整体发生卸荷作用,同一台阶左右两侧开挖时一般错开2~3 m,确保隧道施工安全。研究成果可为今后类似工程的设计、施工和研究提供一定的参考价值。     

高地应力软弱围岩松动圈测试研究

围岩松动圈范围是评价围岩稳定性的重要参数之一,本文结合高地应力软弱围岩武都隧道工程实例,采用声波法对隧道围岩松动圈进行了测试分析,获得了隧道掌子面附件断面松动圈的分布范围;基于测试结果,为围岩松动圈支护参数的确定提供了数据和指导。     

西南地区岩溶富水隧道坍塌力学机理及处治措施

以云南玉溪至磨憨铁路曼勒一号隧道为依托,对西南地区岩溶富水隧道坍塌进行处治并预防,建立基于隧道坍塌机理的隧道坍塌力学计算模型,采用理论分析结合有限元计算软件MIDAS GTS NX模拟的方法分析了隧道坍塌段围岩及初支稳定性,并提出有效的处治措施。结果表明：坍塌段隧道模型拱顶沉降量为48.5 mm,拱腰水平收敛量为111.53 mm,围岩变形量较大,发生坍塌事故的风险较大;围岩塑性区出现在上中台阶掌子面,应变最大值为7.85×10-2,发生塑性破坏可能性较大;隧道坍塌段初支所受拉应力和压应力分别达到了19.68 MPa和17.89 MPa,根据铁路隧道设计规范抗拉极限强度为2.0 MPa,抗压设计强度为12.5 MPa,支护结构承受荷载过大易发生破坏。隧道施工现场地下水渗漏对砂泥岩地层围岩稳定性有重大影响,小范围溜塌最终导致大范围围岩失稳坍塌、初支破坏。根据现场实际工况,采用双层超前小导管补强支护对坍塌段进行加固,隧道坍塌段处治效果良好,为后续类似工程提供指导借鉴。     

超大断面隧道工法转换过渡段最优长度

隧道掘进过程中掌子面围岩状况不停变化,通常情况下针对不同围岩级别,采用不同的开挖工法,不同开挖方式对应的不同支护体系有着不同的受力模式,因此工法转换处围岩-支护体系复杂.以京沪高速济南连接线工程龙鼎隧道为背景,结合现场实测及数值模拟的方法研究施工方法由中隔墙(center diagram,CD)法施工转换为台阶法施工时结构内力及围岩应力状态的变化,研究最优的工法转换时机,确定工法转换过渡段最优长度,并在实际工程中验证.在工程所出现的围岩由Ⅳ2级突变为Ⅲ2级的情况下,超大断面隧道由CD法转换为台阶法设置10 m的过渡段是合理的.过渡段的设置有效减小了拱顶沉降,优化了支护与围岩受力状态,有利于围岩及支护结构稳定;并且可以最大程度保证工程进度.