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。     

高地应力条件下软岩隧道大变形支护技术研究

利用Midas GTS软件建立高地应力软岩条件下的隧道模型,通过数值模拟的方法研究了各类支护条件下隧道变形特征与施做各类支护技术后的围岩变形特征,得出了高地应力软岩围岩变形曲线与高地应力软岩隧道支护变形特征曲线。对比了各类支护技术的优劣程度,得出了较为有效的隧道大变形支护方式,提出了解决高地应力软岩隧道大变形的合理方法。     

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。     

挤压破碎带极高地应力隧道建造技术研究

兰渝铁路控制工程木寨岭隧道是极高地应力软岩大变形隧道,隧道主要穿越断层挤压破碎带,破碎带及其附近影响区域围岩极破碎、自稳性极差,且围岩呈极发育,受高地应力的影响,围岩极不稳定,挤压大变形明显,变形大、变形快、地质流变性强、极易发生坍塌。为解决木寨岭隧道挤压破碎带极高地应力软岩大变形施工难题,开展了应力释放、支护措施攻关等工作,主动控制高地应力软岩大变形问题,加强支护措施、优化结构轮廓、尽量保护围岩,最终采用"小导洞应力释放+3层初期支护+长锚索+单层二次衬砌、圆形断面结构"达到隧道贯通,有效控制了隧道大变形问题。     

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。     

中老铁路高地应力软岩隧道施工方法比选分析

高能场体环境下大变形、岩爆等隧道灾害屡见不鲜，该类环境的主要特征为高地应力，隧道的地应力条件将会影响围岩变形规律和结构内力，开挖工法的选择将直接影响隧道工程的效率和安全。已有研究在工法模拟时的地应力条件大多根据隧道埋深计算，与实际地应力条件相差较大，导致结果过于片面。因此，本文基于地应力实测结果，采用有限差分软件对高地应力软岩隧道情况下三台阶法、CD法、CRD法施工的围岩变形规律及结构安全性进行分析研究，结合工程现场监测结果，验证结论的正确性。分析结果表明：中老铁路高地应力环境表现为水平最大主应力大于竖向最大主应力，二者比值在1.15～1.71之间；CRD法对高地应力软岩环境下围岩变形的控制效果最佳，CD法其次；高地应力软岩环境下二次衬砌轴力整体分布均匀，仰拱和拱脚部位的弯矩较大，安全系数小；CRD法情况下的围岩压力整体最小，对于围岩稳定最有利，CD法次之，三台阶法的围岩压力最大。     

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。     

高地应力软岩隧道中型钢与格栅支护适应性现场对比试验研究

结合正在修建的兰新铁路第二双线LXS-7标存在极高地应力的大梁隧道,系统开展型钢钢架与格栅钢架在高地应力软岩隧道支护中适应性的现场对比试验研究。现场设置型钢钢架支护段与格栅钢架支护段各20 m,通过现场试验及三维数值仿真模拟,对施工过程中的围岩位移、初支钢架应力、围岩-初期支护接触压力进行对比分析,结果表明：(1)在高地应力软岩隧道支护中,型钢钢架对沉降及水平位移的约束作用较强,但支护后期变形呈现台阶式增长趋势,支护设立2个月后仍无明显收敛趋势。相应地,支护结构承受了较大的围岩压力,试验断面围岩-初期支护接触压力最大值为336 kPa,钢架应力较大;二衬施作后围岩变形仍在增加,对二衬结构会有一定影响。(2)格栅钢架属于柔性支护,初期支护设立一周后拱顶累计变形达350 mm,可较好地释放高地应力区围岩应力与变形,但支护内力及变形急剧增加无法收敛。(3)为更好地控制围岩变形,在格栅支护设立一周后增设工字钢套拱作为后期刚性支护,围岩变形曲线呈现明显收敛趋势,洞室变形稳定至446 mm。断面围岩-初期支护接触压力实测最大值为190 kPa,有效地控制支护的变形与格栅应力。(4)试验表明,现场采用“先柔后刚”的支护原则,即先架立格栅后加设套拱对高地应力软岩隧道进行支护,可有效控制软岩大变形及支护内力,结构合理。经济性分析也表明,此支护形式具有较好的经济性,是一种可适用于高地应力软岩隧道的支护结构。     

榴桐寨隧道高地应力软岩大变形机理研究与施工措施应用分析

软弱围岩在高地应力作用下发生大变形及破坏的特征不仅受围岩本身力学性质的影响,还与原始地应力状况及工程因素等有关。榴桐寨隧道埋深约1 400 m,围岩以软岩为主,构造带可能应力集中,软岩存在大变形问题。隧道软质岩大变形主要影响因素包括地应力条件、岩体强度、地质构造影响程度、地下水发育特征、围岩分级、岩石膨胀性。当围岩内部的最大地应力与围岩强度的比值达到某一水平时才可能发生软岩大变形。研究表明,当强度应力比小于0.3～0.5时,即能产生比正常隧道大一倍以上的变形。通过对榴桐寨隧道发生软岩大变形的机理研究,找到一套行之有效的施工控制措施是保障施工及运营期安全的关键。     

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。     

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。     

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。     

挤压性破碎软岩隧道大变形特征及机制研究

在高地应力软岩地层中开挖隧道,易引发挤压性大变形,是隧道建设中的主要难题之一。依托成(成都)兰(兰州)铁路茂县隧道,通过岩石试验和现场测试,分析茂县隧道的变形特征及破坏模式,研究挤压性软岩大变形隧道的变形和支护作用机制。研究结果表明:高地应力软岩隧道施工期间围岩变形量大、速率快,围岩的挤压流动现象明显,变形持续时间长;围岩松动圈层数多、范围广,拱部锚杆受压,与围岩形成"压缩带",共同承载;支护结构承受较大的围岩形变压力,初支钢架多为"屈服承载"或破坏,破坏形式多样,但位置集中;围岩以剪切破坏为主,裂隙扩容现象明显,注浆对加固围岩及保持锚杆作用效果显著;多层支护可有控制的释放围岩变形,改善结构受力,降低围岩流变特性的影响。     

钻孔套心应力解除法在米仓山隧道中的应用

隧道开挖产生临空面,在初始高地应力作用下围岩向临空面产生变形,软岩隧道面临大变形、坍塌,硬岩隧道面临岩爆、掉块等施工风险,两者均对隧道施工带来了极大的安全隐患。准确的获得隧址区地应力分布特征,评价围岩稳定性,指导隧道工程设计和施工,是保证工程安全高效的必要途径。     

松潘高地应力软岩隧道变形预测

以成兰高速铁路松潘隧道高地应力软岩大变形施工段为工程背景,对隧道典型断面D3K246+265的围岩拱顶下沉和水平收敛位移的实际监控量测数据进行回归分析并作曲线拟合,并据此预测围岩的最终变形量,并和断面D3K246+285的最终变形量进行对比验证。结果表明,该种变形预测方法对于赋存在复杂地质环境的高地应力软岩隧道具有较好的可行性,对调整与修正隧道支护设计参数、预留量的大小和保证隧道安全方面具有一定的指导意义。     

高地应力软岩隧道初支侵限诱因及控制措施研究

高地应力软弱围岩隧道施工易发生软岩大变形不良地质灾害,进一步引发掌子面失稳塌方、初支结构破坏、钢拱架弯折、初支结构侵限等不良现象,严重影响施工安全,阻碍工期。依托九绵高速白马隧道工程,结合工程特点,从围岩自身力学特性及高地应力软岩变形特征方面深入分析了白马隧道初支侵限机理,并针对此特点,提出了一套适用于软岩大变形初支结构侵限专项施工方案。研究结果表明,由于地下水的侵蚀,炭质千枚岩发生软化,岩体力学性质变差,自承能力降低,在高地应力持续作用下,围岩发生挤压大变形,进一步诱导初支侵限。变更支护方案后,6 m锚杆结合小导管注浆加固对围岩变形有一定控制作用,但6 m锚杆无法将松动区岩块锚固在稳定母体中,不能充分发挥锚杆悬吊能力,对围岩变形控制效果有限,无法满足现场围岩变形需求,建议采用8 m长锚杆。初支拆换过程中应实时监测围岩变化情况,明确围岩变化方向、速率、累计值等,并根据现场实时监测数据反馈施工,实时调整支护参数,确保施工质量。     

炭质板岩隧道大变形段“围压拱”支护方案

针对大草山隧道穿越二叠系炭质板岩、断层破碎带等软质岩,可能产生软岩大变形,并存在高地应力-极高地应力的特殊地质特征,将大变形段落衬砌结构分为三级进行特殊设计,提出了"放抗结合,长锚围压,固结成拱,强支跟进"的设计理念及"变松动圈为承载拱"的"围压拱"支护体系,并对针对性预案设计进行探讨。通过模拟计算,采用预应力钢束(锚杆)加固围岩松动圈为承载拱后,可有效控制围岩及结构变形。隧道软岩大变形采用"围压拱"支护方案,将"大变形"问题转化为"一般变形"问题,研究方法和结论为软岩大变形隧道衬砌结构设计提供一定的理论支撑,对更加科学合理的确定软岩隧道衬砌结构参数具有一定的参考价值。     

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。     

峡口隧道高地应力软岩段变形施工技术研究

结合工程实例,分析了在高应力作用下的隧道围岩和支护结构的变形特征,并采用超前预报技术、超前预加固等多种施工技术组合,探索出一套应对复杂地质高应力软岩隧道施工技术措施,同时根据现场围岩监控量测结果,验证了峡口隧道高地应力软岩段变形施工技术的科学合理性,对类似工程隧道建设具有一定的参考价值。     

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。