软岩大变形巷道底臌破坏机制与支护技术研究

 随着资源开采由浅部向深部转移,如何有效地控制底臌成为深部软岩巷道支护中首要考虑的问题。针对国投新集刘庄煤矿围岩破坏严重、难支护的情况,结合刘庄煤矿制冷硐室所处的地质环境特点,在巷道围岩的物理力学特性、岩石矿物成分分析、现场地应力测量、现场大型真三轴流变试验的基础上,分析巷道底臌的主控因素,研究表明：本巷道底臌变形主要是由于软弱围岩在较高的水平构造应力作用下,产生明显的流变变形所致。在此基础上,对该巷道进行支护设计优化,提出一种由U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充结合预应力锚索的被动卸压与主动施压相结合的底臌变形控制方案,并通过数值方法验证该方案的合理性。     

高地应力软岩隧道有限元仿真与工程应用

高地应力软岩隧道开挖过程中围岩自稳能力差,极易出现坍塌、冒顶等大变形灾害,选择合适的施工工法至关重要。以某高地应力软岩隧道为对象,基于有限元仿真模型,结合现场监测结果,分析了采用上下台阶分步法施工时高地应力软岩隧道围岩及支护结构的力学行为。分析表明:(1)上下台阶分步法施工适合于高地应力软岩隧道开挖,具有围岩变形小、安全可靠的优点;(2)开挖时,围岩塑性区由边墙两侧拱腰向拱部和仰拱位置逐渐扩展;(3)由于洞顶、拱底均向洞内收敛,致使两侧腰处承受较大压力而向外扩张。两侧腰处围岩竖向应力较大,而洞顶和拱底附近则水平向应力集中。同样的,支护结构在两侧腰处承受较大拉应力,而在洞顶、拱底位置承受较大压应力。     

基于围岩-支护特征理论的高地应力软岩隧道初期支护选型研究

结合正在修建的兰新铁路第二双线LXS-7标的极高地应力大梁隧道,开展型钢钢架与格栅钢架支护机理研究。在综合考虑喷射混凝土时间硬化效应对初期支护强度的影响基础上,基于围岩-支护特征理论综合分析型钢钢架及格栅钢架的支护机理及其适应性,探索高地应力软岩隧道工程中不同刚度支护的力学响应过程,绘制高地应力软岩隧道几种可能的围岩-支护特征曲线,为高地应力软岩隧道合理支护形式的确定提供理论依据,并提出适合于围岩大变形的合理支护形式,以及控制高地应力软岩隧道大变形的合理措施。     

弹塑性大位移有限元方法在软岩隧道变形预估系统研究中的应用

应用弹塑性小应变大变形理论，运用三维有限元方法研究了台湾软岩隧道在高地应力和围岩岩体力学参数较低的情况下，围岩变形，受力及破坏状态与开挖方式和支护方案的关系，得到了一些有益的结论，为该地区隧道合理施工提供了依据。     

高地应力软岩隧道长、短锚杆联合支护技术研究

基于考虑应变软化特性的深埋隧道弹塑性解,采用锚杆中性点理论,系统地分析高地应力软岩隧道短锚杆支护失效机制,并论证高地应力软岩隧道中对锚杆长度进行加长的必要性:一方面增大锚固段的围压以提高黏结强度,另一方面增大锚杆头部和尾部处的围岩位移差以提高锚杆对围压的锚固效用。将高密度支护模式的短锚杆等效为复合岩体,同时将长锚杆对围岩的锚固作用考虑为作用在隧道洞壁处的等效支护力,建立隧道长、短锚杆联合支护力学模型,考虑锚杆和围岩的相互作用,得到长、短锚杆联合支护后的围岩特征曲线。通过对比每延米隧道锚杆用量相同情况下,普通短锚杆支护和长、短锚杆联合支护状态下的围岩特征曲线,说明了长、短锚杆联合支护策略对高地应力软岩隧道变形控制的有效性。该长、短锚杆联合支护力学模型考虑了长锚杆与围岩的相互作用,为高地应力软岩隧道长锚杆支护长度的设计提供了一种计算方法。     

U型钢支架结构稳定性及其控制技术

控制高应力软岩巷道围岩的强烈变形,除了加大支护强度外,提高支护结构的稳定性至关重要.采用理论分析、室内试验和现场试验相结合的方法,分析U型钢支架失稳的原因和支架工作过程中的承载特性,提出支护稳阻技术、支护结构补偿原理和补偿技术.研究结果表明,引起支架结构失稳的主要原因是连接件强度低或连接件结构不合理、支护结构与围岩相互作用差、支架结构不稳定等.根据支架结构失稳破坏的主要原因,采取相应的技术措施,如采用强度高、结构合理的卡缆.支架滑移后其承载性能极不稳定,要保持支架工作过程中具有很高的支护阻力,支架滑移后应重新拧紧卡缆.采用U型钢壁后充填或U型钢壁后注浆后,支架承载能力得到大幅度提高,但由于其结构稳定性较差,支架仍然会失稳破坏.因此,应根据巷道围岩的变形特点和U型钢棚基本支护的结构稳定性,采用稳结装置对U型钢棚基本支护进行结构补偿,可大大提高支护结构的整体承载能力及其结构稳定性.     

成兰铁路千枚岩隧道初期支护形式试验研究

在高地应力软岩地层中开挖隧道,易发生大变形,合理地选用初期支护的钢架形式,对软岩大变形的控制是非常重要的。本文依托成兰铁路-茂县隧道,通过现场试验和数值计算研究挤压性软岩大变形隧道的初支钢架选型,主要得出以下结论：（1）高地应力软岩隧道不宜选用强度较弱的钢架作为第一层支护,第一层支护应能保证支护封闭时的合理洞形|（2）挤压性大变形隧道宜采用多层、多次的支护方法,适当释放围岩应力,保证隧道的长期稳定|（3）大变形隧道多采用分部工法开挖,易导致支护结构受力不均,应提早支护封闭时机,改善结构受力。     

高地应力软岩隧道围岩压力研究和围岩与支护结构相互作用机制分析

岩体开挖后受扰动而产生应力重分布过程极其复杂,尤其是在不良地质环境下更甚。对于地质条件差、地应力为高~极高的软弱围岩,其结构受力大小与受力特征对隧道结构安全尤为重要。针对目前研究中存在的问题,结合工程中出现的问题和实际需求,以高地应力软弱围岩条件下的关角隧道、木寨岭隧道等工程为背景,通过地应力现场实测、理论研究与数值分析,对高地应力软岩隧道围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制进行研究。主要进行以下几方面的研究工作:(1)在中国地应力场分布规律统计分析基础上,统计得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。(2)采用水压致裂法进行兰渝线天池坪隧道和两水隧道地应力现场实测。在此基础上,分析隧道所处的原始高地应力水平及隧道开挖后的地应力分布规律;采用改进的BP神经网络进行了木寨岭、天池坪等隧道的宏观地应力场拓展分析,获得地应力的宏观分布形态与特点。(3)针对现有本构关系,对高地应力软岩尚不具有广泛代表性和卡斯特耐尔公式无法直接计算出在塑性区范围不同发展过程对应的塑性形变压力的问题,以原岩应力和隧道容许位移(或支护后实际量测位移)为出发点,采用岩体软化"直–曲–直"模型,推导了隧道形变压力计算公式。(4)利用台阶法开挖中存在的空间效应和改进的BP人工神经网络模型预测位移以及多项式拟合预测方法,提出两类在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。通过在关角隧道和木寨岭隧道大战沟斜井高地应力软岩地段的应用,探讨其结构荷载与应力释放规律,其结果得到三维数值分析的验证。(5)为验证卡斯特耐尔扩展公式合理性,基于参数全过程变化的应变软化FLAC3D三维数值模型,模拟木寨岭隧道正洞高地应力软岩地段隧道开挖支护过程。三维数值结果与卡斯特耐尔扩展公式计算结果吻合,进一步证明该公式在高地应力软弱围岩条件下应用的可靠性、适用性。在统计青藏地区地应力分布规律基础上,结合现场实测和拓展分析,准确获得高地应力软岩隧道位置原始地应力,为研究围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制提供依据。在原始地应力基础上,结合理论分析和数值仿真,获得高地应力软岩隧道的围岩压力计算方法和围岩与支护结构相互作用机制。主要创新点体现以下4个方面:(1)统计分析得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。总结出青藏地区地应力分布规律与特点,为判别该区域地应力测试结果的合理性提供依据。(2)针对高地应力条件下软岩隧道大变形问题,引入岩体软化"直–曲–直"模型,推导出适用于高地应力软岩隧道基于原岩应力和隧道位移的隧道形变压力计算公式。(3)提出2种在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。(4)为在三维数值分析中反映软弱围岩参数随坑道变形而不断变化的特性,引入参数全过程变化的应变软化模型,利用FLAC3D软件验证卡斯特耐尔扩展公式应用于高地应力软岩隧道的可靠性和适用性。     

隧道各向异性软岩力学参数反演及蠕变研究

在高地应力条件下具有层理构造的横观各向同性软岩中开挖隧道后,软弱围岩会发生显著的流变变形,直接影响隧道围岩的稳定性及支护结构的长期服役性能。采用数值模型模拟木寨岭隧道大战沟斜井试验洞的开挖蠕变过程,建立并验证了隧道宏观变形特征值与围岩力学计算参数之间的BP神经网络。在此基础上根据6+90试验洞现场变形监测数据,反演得到了该处炭质板岩的塑性及蠕变力学参数。应用另两处监测断面的现场监测曲线验证了基于BP神经网络的反演方法及所得炭质板岩力学参数的可靠性。另外分析了横观各向同性炭质板岩的开挖蠕变力学变形性质,对高地应力条件下横观各向同性软弱围岩中隧洞开挖及支护结构的设计、施工具有重要的指导意义。     

考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解

高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷后,断面周边围岩的径向应力急剧降低,围压从围岩深部至隧道洞壁急剧衰减,不同位置岩石的应变软化和剪胀扩容受围压效应的控制。基于三维H-B强度准则建立考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解计算方法,并依托中老铁路新华隧道计算深埋滇中红层软岩隧道的挤压变形,讨论围压效应和中主应力对围岩应力–应变特征、强度软化特征和剪胀扩容特征的影响,探讨围压效应在不同峰值强度、原岩应力和支护反力下的敏感性。研究结果表明：围压效应通过降低岩石的临界塑性偏应变η^*和增大岩石的峰值剪胀扩容系数K_ψ^p,从而加剧围岩的软化和剪胀程度,进而加剧隧道的挤压变形;中主应力会降低围岩的软化程度,加剧围岩的剪胀扩容,但整体上能有效抑制深埋软岩隧道的挤压变形;岩石峰值强度越低、埋深地应力越大时,隧道的挤压变形受围压效应的影响程度越高。因此分析高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷的力学响应时,不能忽视围压效应的影响;支护反力能有效抑制效围压效应对隧道挤压变形的影响,在深埋软岩隧道的施工建设时应及时施作支护结构约束围岩的变形。     

浅埋软岩隧道式锚碇稳定性原位模型试验研究

为了研究高拉拔荷载作用下浅埋软岩(泥岩)隧道式锚碇的稳定性(强度特性、变形规律及长期稳定性),以某在建的长江大桥隧道式锚碇工程为依托,开展了缩尺比例为1∶10的浅埋软岩(泥岩)隧道式锚碇原位模型试验(蠕变试验、极限破坏试验)。研究发现:浅埋软岩(泥岩)隧道式锚碇具有较高的承载能力,在设计荷载甚至在高于设计荷载几倍的荷载作用的情况下,其蠕变变形呈现出基本上趋于稳定的趋势,具有一定的长期稳定性。其破坏模式为锚塞体上方的岩体破裂成块体状,锚塞体下方沿与岩体接触面产生整体错动,破坏的下边界为锚塞体与岩体的接触带,锚塞体混凝土未发生破坏。此外,还探讨了在高拉拔荷载作用下,锚塞体地表围岩蠕变变形的空间分布规律以及锚塞体地表围岩、深部围岩各部位的变形规律。研究成果可为类似的工程提供参考和借鉴。     

高地应力断层带软岩隧道变形特征与控制措施研究

隧道在穿越断层地带时由高地应力引起的软岩大变形问题是隧道建设施工中难点,给隧道建设的施工与进度带来很大影响。本文结合区域地应力,围岩强度实验等分析柿子园隧道穿越断层地区产生支护结构破坏现象的原因,并对围岩压力,钢架应力,围岩变形进行了现场监测,得到了高地应力软岩大变形引起的支护应力特征与变形特征,提出了控制大变形的技术措施。研究表明,高地应力区软岩隧道穿越断层地带时,由于复杂的构造应力造成隧道结构受力不均,隧道左右两侧围岩压力,支护内力与围岩变形呈现出很大的不对称性。采用优化断面形式、加强初支刚度、非对称预留变形量和锚杆布置等措施可以有效减小隧道结构受力,控制隧道变形。     

Mechanisms of large deformation in soft rock tunnels: a case study of Huangjiazhai Tunnel

Typical large-deformation phenomena of soft rock occurred frequently during the tunneling process in Huangjiazhai Tunnel, Hubei Province, China, including extrusion at the tunnel wall and severe damage of the primary support and secondary lining. To reveal the mechanisms of these anomalies, comprehensive investigations have been undertaken combining engineering, laboratory, and microscopic analyses. Since the monitoring results show that there might be a close relationship between the large deformation phenomena and water infiltration into the tunnel, the water–rock interaction is the research focus in the investigations. The experimental results reveal that the deforming resistance and strength of shales exposed at the excavation face weaken quickly in the first 20 days after the shales have contact with water. The results obtained by mineral composition detection and microstructure observation illustrate the microscopic reasons for the decreasing strength and deforming resistance of the tunnel surrounding rock after water infiltration. The results from in situ geostress tests indicate that as a result of high tectonic stress and low rock strength, the field of Huangjiazhai Tunnel is an extremely high geostress area. By combining analyses from the mechanical and geological perspectives, there are two main reasons for the large deformations in the Huangjiazhai Tunnel: the plastic flow caused by tunnel excavation under high geostress and low rock strength and a hydrated-mechanical coupling process between the shales and water.

     

泥岩隧道锚承载特性现场模型试验研究

为了研究高荷载作用下的软岩(泥岩)隧道锚的变形、破坏及长期稳定性等问题,以在建的某长江大桥为依托,分别针对泥岩隧道锚自然状态(含水率为5.36%)和浸水状态(含水率为7.39%)的情况,开展了缩尺比例为1∶30现场模型试验。研究发现:隧道式锚锭同样适用围岩为软弱围岩(泥岩)的情况,可以承受较高的拉拔荷载,采用设计荷载工作时,具有一定的安全储备,并可以满足长期稳定性要求。屈服荷载作用以后,泥岩隧道锚的破坏优先沿锚体接触面发生剪切破坏,破坏后,会引起较大范围的围岩产生大变形。高拉拔荷载作用下,含水率高的泥岩隧道锚的围岩变形较大。考虑江水位变化带来的影响,建议该长江大桥泥岩隧道锚的长期安全系数取为3.5。研究成果可为类似的工程设计、施工等提供参考。     

隧道围岩与支护结构变形协调控制机理及工程应用

为解决高应力下隧道岩爆以及软岩大变形控制难题,本文从隧道围岩荷载与支护平衡、变形协调控制及围岩能量守恒三方面进一步分析地下工程平衡稳定方法的特点;根据不同围岩级别总结地下工程平衡稳定方法中隧道支护结构抗力与围岩变形特征曲线,并提出隧道围岩支护的施工建议;通过分析围岩与支护结构有效荷载传递规律与功能转换特征,揭示围岩平衡与支护结构变形协调控制机理,并结合高应变吸能层材料设计一种表征为“吸能让压 支承抗压”的一体化新型隧道围岩支护工艺。通过工程应用表明,基于新型支护工艺在岩爆、软岩大变形隧道中围岩压力降低28.09%,保障了隧道安全高效施工。     

高地应力隧道围岩分级BQ-hg法的研究及应用

随着大量深埋越岭隧道的修建,高地应力问题对于围岩分级的影响越来越大。公路隧道设计规范中的围岩分级BQ法对于初始地应力影响的折减系数K₃仅从高地应力和极高地应力两个方面进行考虑,而对于高地应力情况下影响围岩稳定的岩爆和大变形情况未加以区分和细化,从而造成BQ法在高地应力段特别是岩爆和大变形段的分级适应性较差。本文针对BQ法对于初始地应力折减系数K₃该方面考虑不足的缺点,将高地应力情况的岩爆和大变形对围岩质量的影响引入围岩分级中,采用强度应力比值将岩爆烈度分为四个等级、大变形分为三个等级,各个等级对应相应的折减值,从而形成岩爆段和非岩爆段的初始地应力折减系数值K₃¹,以及大变形段和非大变形段的初始地应力折减系数值K₃²,再以BQ法为基础建立了高地应力条件下的围岩分级BQ-hg法。通过对BQ-hg法进行围岩分级应用检验,其分级准确率较高,适应性较好,值得进一步完善和推广。     

大跨软岩公路隧道围岩稳定性分析

本文针对大跨度软岩隧道的围岩变形特点,以集呼高速公路旗下营隧道右线出口段YK197+040断面在CD法施工下围岩变形的现场监测数据为背景,整理了拱顶沉降的位移-时间曲线,探讨了拱顶沉降随开挖时间的变化情况。运用ABAQUS软件,结合实际隧道工艺建立了三维有限元模型,数值分析了隧道开挖后拱顶及周边位移的变化趋势,研究了围岩力学性能参数对隧道变形以及围岩稳定性的影响。在综合考虑监测数据与数值结果的基础上,为后续隧道安全施工提供了有益的理论建议。