丽香铁路中义隧道高地应力软岩大变形控制技术

在丽香铁路中义隧道围岩及初期支护变形、破坏特点归纳总结的基础上，结合隧道的区域地质条件，分析了围岩大变形的形成机制。研究表明:丽香铁路中义隧道围岩及初期支护变形、破坏特点是由隧址区地应力最大主应力为水平方向且与隧道轴线接近垂直的特点决定的；围岩大变形主要是由于隧址区强烈的地质构造使围岩完整性遭受严重破坏，围岩破碎，地层赋存较高的构造残余应力引起的。现场实验及施工实践表明:按围岩的工程地质条件、强度应力比及相对位移将大变形分级管理，根据大变形级别选用不同的衬砌断面、支护参数和预留变形量；采用上下台阶、下台阶带仰拱一次开挖方法施工，适当加长边墙系统锚杆和锁脚锚杆，适时进行初期支护补强。     

高第二主应力条件下大跨度洞室围岩变形破坏特征分析及支护措施

猴子岩地下厂房区域地质构造复杂,洞室群埋深大,位于以水平构造应力为主的高—极高地应力区。与一般高地应力情况不同的是,猴子岩厂区第一、第二主应力均较高,分别达到36.43 MPa和29.82 MPa,使得高地应力对洞室高边墙的不利影响不能通过调整厂房轴线来规避,这为洞室施工和支护设计带来较大挑战。从工程施工过程中出现的变形破坏现象以及位移、支护应力监测资料、声波检测资料入手,归纳高第二主应力下大跨度地下洞室群的变形破坏特征为:1岩爆现象普遍;2围岩变形量及破坏深度大;3锚固支护结构负荷水平高。对围岩变形破坏机理作初步探讨,并根据支护效果总结了高第二主应力下支护设计和支护措施的经验,可为高第二主应力条件下大跨度洞室围岩的稳定分析提供参考。     

围岩与初期支护间缓冲层的大变形控制效果及合理厚度研究

以丽江至香格里拉铁路中义隧道为依托，采用数值计算的方法，结合试验段的现场监测资料，对在围岩和初期支护间设置缓冲层控制初期支护变形的效果及不同地应力侧压力系数下缓冲层的合理厚度进行了研究。研究表明:在围岩与初期支护间的边墙段设置合理厚度的高密度泡沫板（ＥＰＳ）可显著提高初期支护的稳定性，并使初期支护最大水平收敛、拱顶下沉减少１０％左右；中义隧道埋深在８００ｍ附近、发生严重大变形的区段，地应力侧压力系数小于０．９时，可不铺设缓冲层；地应力侧压力系数为１．０～１．３、１．３～１．５、１．５～１．７时，缓冲层的合理厚度分别为１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ。     

乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道岩爆段的围岩特点

乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道具有地应力最大主应力为水平方向，且与隧道轴线接近垂直的特点。以该隧道２０１４年１２月底前发生的１３２处岩爆为基础数据，对岩爆处围岩岩块的力学特性及节理走向与隧道的夹角、节理倾角等进行了试验研究和统计分析。结果表明:卡姆奇克隧道发生岩爆的花岗闪长岩和正长斑岩具有强度高、破坏前变形小且主要是弹性变形、应变能消耗比大于１的特点；卡姆奇克隧道的岩爆主要出现在拱顶。     

高地应力洞室围岩变形破坏规律研究

锦屏一级水电站右岸地下厂房地质条件复杂,地应力高,对围岩稳定造成较大不利影响。统计分析了厂区地下洞室群施工期的围岩变形破坏现象,归纳出高地应力条件下地应力方向、洞室轴线方向对围岩变形破坏的影响规律。研究表明,高应力条件下洞室群围岩破坏程度除了受最大主应力控制,还与洞室规模密切相关;而且高地应力引起的围岩破坏在时间上有滞后性,需研究实施支护的合适时机。上述结论为地下洞室后续合理施工及支护提供了理论依据,也可为高地应力区洞室轴线布置和围岩变形破坏预防提供参考。     

复杂高地应力区软岩隧道大变形控制技术研究

以鄂西宜巴高速公路峡口隧道为工程实例,针对隧道施工中遇到的高地应力软岩大变形问题,对其高地应力软岩特点和大变形特征进行分析研究。提出优化开挖方法、调整预留变形量、利用联合初期支护和可伸缩性U型钢架及信息化施工等综合大变形控制措施和施工技术,有效地控制了隧道围岩大变形。通过支护结构受力监测,以及拱顶、水平收敛累计沉降量与沉降速率监测,验证了所采取的大变形控制技术的合理性,对鄂西复杂高地应力软岩隧道大变形控制技术作了有益的探索。     

地应力对洞室轴线布置影响的二维数值分析

深埋洞室处于高地应力条件下,水平应力常大于垂直应力, 且水平方向应力也不均匀,洞室稳定性主要受初始应力场控制。采用可以施加轴向应力的二维非线性有限元方法,计算模拟并列双洞和单洞,研究自重应力场、最大主应力与洞线平行和垂直等三种应力场条件、两类岩石地下洞室轴线的选择对围岩变形及稳定的影响。结果显示,最大主应力与洞轴平行时,塑性区主要分布在边墙部位;最大主应力与洞轴垂直时,塑性区主要分布在洞室顶底部。《水工隧洞设计规范》中洞线宜与最大主应力方向一致的适用性是有条件的。     

基于工程类比的高地应力地下洞室高边墙围岩支护强度评价

高地应力地下厂房高边墙围岩支护强度的评价对于保证大型地下工程围岩稳定性具有重要意义。猴子岩水电站地下厂房地应力高、强度应力比低,施工开挖中出现喷混凝土开裂、岩锚梁错位、岩体开裂、锚墩内陷等典型的围岩变形破坏现象,对洞室安全造成严重威胁。通过多点位移计、锚杆和锚索的应力监测数据分析,将猴子岩和锦屏Ⅰ级水电站地下厂房进行比较,提出了预应力锚索和锚杆的单位面积预应力支护强度计算方法,并根据评价结果对局部洞段进行针对性的围岩补强支护设计。结果表明:猴子岩地下厂房围岩变形整体上比同期的锦屏Ⅰ级围岩变形大,而锚索应力水平比锦屏Ⅰ级小,锚杆应力水平整体相当;猴子岩地下厂房下游边墙的支护强度大于锦屏Ⅰ级下游边墙的支护强度,上游边墙的支护强度小于锦屏Ⅰ级下游边墙相应部位支护强度,猴子岩地下厂房上游边墙补强支护后的围岩变形得到有效控制,表明了补强措施的有效性。研究可为类似高地应力地下洞室围岩支护设计和支护强度评价提供参考和借鉴。     

抢风岭隧道围岩地应力场研究及岩爆预测分析

为了研究抢风岭隧道工程区地应力分布情况,采用水压致裂法进行了地应力测试。根据测试成果,结合有限单元法及多元线性回归对工程区应力场进行了分析。回归分析结果显示：沿隧道轴线,最大水平主应力大于自重应力,该地区是以水平应力场为主导,最大水平主应力方向总体上接近NE向。最后,根据地应力资料对隧道围岩进行了施工期岩爆预测分析,表明在埋深270～400 m完整坚硬的岩石洞段,施工期有发生中等岩爆的可能。     

端西隧道出口初期支护变形侵限段换拱处理施工

端西隧道出口开挖后按原设计参数施工,但由于三明地区出现持续强降雨天气,使得端西隧道出口覆盖土层饱水,软弱围岩造成偏压,导致端西隧道出口DK43+514~DK43+490.4段(24.4m)初期支护侵限二衬及DK490.4~DK43+479.6段(10.8m)拱顶下沉严重,变形段累计35.2m。端西隧道出口受偏压、软弱围岩地质影响,初期支护大幅度变形侵限。处理过程中施工干扰较大、围岩稳定控制难度大,开挖支护方案的精选、监测数据及时采集和分析、过程中的支护方案的及时调整等施工手段的实施,最终完成了端西隧道出口初期支护变形侵限段换拱处理。     

高地应力环境下引水隧洞软弱围岩稳定性分析

以实际深埋软岩引水隧洞施工为背景,在对导致大变形的围岩压力性质认识和力学行为分析的基础上,结合室内实验、数值模拟手段、施工变形监测数据和围岩—衬砌接触压力现场试验,研究了隧洞开挖后洞周位移分布特征、围岩变形和支护受力随时间发展规律。研究结论表明:(1)大主应力方向为垂直方向的高地应力环境中,隧洞软岩大变形以挤压型变形为主;(2)开挖面和二衬对约束隧洞空间位移分布具有重要作用;(3)软弱围岩变形发展和支护受力具有明显的流变特性和时间效应,及时施加二衬能有效限制流变变形的发展。在研究基础上提出了一些施工中有益于控制围岩稳定性的建议。     

软硬岩交替区隧道初始地应力场反演研究

软硬岩交替区岩体结构面两侧岩性变化剧烈，地应力分布复杂。为探明软硬岩交替形成的岩体结构面对初始地应力场的影响，以云南曼么二号隧道为研究背景，构建包含高程信息的三维数值计算模型，基于多元线性回归法反演获得了隧道轴线处的初始地应力场，分析了软硬岩交界面处水平主应力异常的影响因素。结果表明：水平主应力异常与软硬岩交界面两侧围岩弹性模量、埋深和结构面倾角的差异性有关；通过正交试验对各影响因素进行显著性评价，发现围岩弹性模量和埋深对水平主应力的影响显著，是水平主应力异常的关键因素。研究成果可为隧道(洞)开挖过程围岩稳定性评价与支护方案设计等提供依据。     

基于离散元的节理岩体水工隧洞地震动力特性分析

基于非连续介质理论,借助离散元软件UDEC,建立了大跨度、高边墙的缓倾角层状节理岩体水工隧洞力学分析模型,研究了地震力作用下,隧洞围岩不同部位的波速特性、位移分布、应力分布、塑性区分布等力学特性及围岩稳定性问题,获得了大型地下隧洞不同部位围岩在地震中的响应规律。在垂直方向正弦剪切地震波的作用下,各监测点竖向动力特性明显比水平方向大;地震波作用初期,边墙产生的位移值大于顶拱,随时间的推移,底板围岩变形受地震作用较大;洞室各监测点应力值相对地震波作用前均有较小程度的增大;震后隧洞边墙及底板岩体是塑性区范围扩大较明显的部位。研究结果可为同类大型地下工程的设计和施工及进一步分析地震作用下围岩的变形破坏过程提供参考。     

及时支护隧洞变形规律研究及稳定性评价

针对软岩及土质隧洞围岩强度低、稳定性差及现有隧洞围岩稳定性评价方法对及时支护隧洞的不适用性,通过数学模型试验系统研究了弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、埋深、洞径和侧压力系数等与需及时支护隧洞拱顶围岩变形和喷层受力的相互关系,并据此探讨了以支护结构安全性为标准的隧洞围岩稳定性评价新理念。该理论在新疆库尉输水工程的成功应用表明其具有较好的可靠性。数值试验结果显示各因素对拱顶围岩变形和喷层应力影响显著,且对大主应力的影响尤为明显,随变形的发展喷层拱顶处应力主轴对调,大、小主应力名称互换。喷层大主应力随弹性参数的增大而增大,随强度参数的增大而减小。该研究成果能为软岩隧洞工程的设计和施工提供理论指导。     

黄土隧道双侧壁导坑法施工围岩力学性状及变形界限值

黄土特殊的工程性质给大断面黄土隧道设计中围岩变形控制量与预留变形量值的确定带来了困难。本研究以大断面马蹄形黄土隧道为对象,采用ＦＬＡＣ3Ｄ数值计算软件,建立三维数值模型,依据黄土物理与力学指标,研究了不同支护强度条件下黄土隧道围岩应力、变形变化规律以及拱顶监测变形极限值。结果表明:开挖扰动作用下黄土隧道地层应力由地面到拱顶距离先增大后减小,地层沉降位移随与地面距离增大而增大。隧道拱顶最大沉降随支护模量的减小先缓慢增长,随后迅速增长,不易控制。因此需要找到拱顶沉降加速增长的临界点,对应的极限值作为拱顶沉降的控制条件。由于隧道拱顶最终沉降由掌子面开挖前拱顶沉降和掌子面开挖后可检测出的拱顶监测沉降组成,可结合位移释放率得出监测沉降极限值,确定拱顶监测沉降控制条件。研究成果为黄土隧道围岩稳定性监测提供理论依据。     

考虑压力溶腔影响的岩溶隧道围岩稳定性分析

岩溶地区的富水压力溶腔常常对隧道施工安全造成不利影响。为研究岩溶溶腔对隧道施工过程围岩及支护受力的影响,依托某岩溶隧道,采用Flac3D有限元方法系统开展了不同工况的数值试验研究,主要考虑溶腔大小、溶腔位置及溶腔压力3因素影响,分析了不同工况下围岩受力变形、围岩应力及支护受力情况。结果表明:岩溶隧道溶腔会引起隧道施工过程围岩收敛变形和应力增大,溶腔大小、溶腔位置及溶腔压力均会对收敛变形和应力产生影响,溶腔越大、溶腔存在压力会造成靠近溶腔测点的收敛变形和应力值明显增加,溶腔位于拱顶时对隧道整体受力影响最大,溶腔位于边墙时对隧道影响次之,溶腔位于仰拱时对隧道影响最小;溶腔的存在会对初支受力造成不利影响,引起溶腔近侧初支应力重分布,建议加强溶腔施工段初支整体强度。     

跟踪施工过程的仿真反演分析法在紫坪铺工程导流洞中的应用

以四川紫坪铺水利工程导流洞施工过程的工程措施为仿真分析对象，跟踪监控测量围岩变形和支护结构受力，获取围岩动态稳定性态以及支护结构性态的综合信息，仿真反演分析围岩各洞段的宏观力学参数与初始地应力，为支护结构的优化设计等提供依据。     

低地应力区地下洞室开挖后围岩位移二维离散元数值模拟

以西北某水利工程地下洞室为例，对低地应力状态下洞室开挖后围岩位移变化及其相应特征，采用了二维离散元法进行数值模拟研究，结果表明：低地应力区地下洞室开挖后围岩位移主要发生在拱顶位置，而发生在侧壁水平位置上的围岩位移量则明显不及前者，这说明低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏主要发生在洞顶垂直方向，侧壁水平方向围岩变形破坏规模和强度均不及前者。     

白鹤滩水电站右岸巨型地下厂房围岩高应力破坏特征分析及处理措施

白鹤滩水电站右岸巨型地下厂房地质条件复杂,初始地应力水平较高,开挖支护实施阶段厂房顶拱及高边墙围岩普遍发生了片帮、破裂、松弛、轻微岩爆及喷层开裂等高应力破坏。为了确保地下厂房围岩稳定安全,在地质条件、地应力水平、围岩特性分析基础上,结合围岩变形监测、数值计算、现场查勘等分析了厂房围岩高应力破坏特征,并系统地提出有效的浅表层和深层喷锚组合的加固处理措施,从而确保了围岩稳定和施工安全。积累的经验对高地应力区大型地下洞室开挖支护具有一定的指导意义。     

隧道围岩变形及其衬砌内力特征研究

位于土层和岩层交界地层中的隧洞,其力学特性和水文地质条件均发生显著的变化,从而导致塌方或者围岩变形过大等。利用数值计算方法,建立二维有限元模型,对某工程隧洞土、岩接触地层中隧道开挖围岩变形和衬砌受力特性进行分析,并采用不同施工方法进行比较。结果表明,土、岩接触地层中隧道开挖围岩沉降位移场是非对称的,沉降位移最大位置在拱顶30°处,正是需要加强支护的位置;先墙后拱开挖在隧道三种施工方式中围岩最大沉降位移最小,正台阶开挖方法围岩沉降位移最大,留核心土开挖方法介于二者中间。合理的支护方式和开挖方式是土、岩层交界地层中隧洞周边岩体稳定的基本条件。