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。     

高地应力条件下控制软岩大变形隧道周边位移的施工工法研究

文章基于新建兰新第二双线铁路某隧道穿越高地应力条件下的软岩地段的工程实际,采用有限差分软件FLAC3D对该隧道施工拟采用的三台阶法、三台阶临时仰拱法和三台阶七步法等三种工法进行了动态开挖模拟。通过对各工法下隧道拱顶沉降和水平位移变化情况对比分析,结果表明在高地应力下,三台阶临时仰拱法能及时封闭成环,是最能控制软岩大变形隧道周边位移的施工工法。     

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。     

圆形隧道应力-应变正交关系的力学行为研究

基于Detournay导出的在非静水应力场条件下(λ≠1)服从Mohr-Coulomn屈服准则以及不相关塑性流动势时圆形洞道平面问题位移场基本解,揭示出软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律,即,软岩隧道的最大变位方向与最大主应力方向存在相互垂直关系的变形规律,这一结论与人们已认同的通常情况下隧道围岩所表现出的相互平行关系变形规律,截然不同。需要指出的是,这种“相互垂直关系”的围岩变形规律,与一些工程实例的现场位移量测结果,却表现出完全的一致性,例如在高地应力条件下已发生大变形的家竹箐隧道工程,其围岩变形规律便是如此。     

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。     

高地应力软岩隧道松弛效应研究

高地应力软岩隧道的长期稳定性评价是个技术与理论难题，隧道工程衬砌施工后，一方面要承担由于岩体本身强度较低而产生的蠕变变形，另一方面需要承担围岩的自承能力随时间不断降低产生的松弛荷载。高地应力软岩隧道通过选择合理的施工工法和支护参数，减小围岩的变形和松动范围，降低作用在支护结构上的荷载，是当前软岩隧道设计施工的重要发展方向。以某高速公路隧道软岩隧道为例，通过现场地应力测试与数值仿真，研究其松弛机理，为高地应力软岩隧道的设计与施工方案的选择提供有益的探索。     

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。     

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。     

不同开挖方式对近距离交叠隧道影响模拟研究

研究不同开挖方式对近距离交叠隧道的地层和围岩的影响,揭示不同开挖方式下交叠区围岩及既有隧道衬砌的变形及应力–应变变化规律,为近距离交叠地下工程的变形控制、支护设计和开挖优化设计提供理论依据。通过FLAC3D数值模拟,研究在台阶法、眼镜法、CRD法3种不同开挖方式下交叠区围岩及既有隧道衬砌的变形及应力–应变发展规律、交叠区围岩塑性破坏规律,研究结果如下：(1) 不同开挖方式对交叠隧道施工过程中不同位置的影响程度不同,揭示既有隧道衬砌变形机制演变过程和衬砌破坏的危险点;(2) 根据围岩塑性区发展和隧道衬砌变形量,开挖下部新线隧道时CRD法优于眼镜法和台阶法,CRD法开挖下部隧道时对变形控制效果最好;(3) 新建隧道穿越既有隧道时,比较理想的施工方案为台阶法→CRD法→台阶法;(4) 任何开挖施工方法都会使已建隧道衬砌的4个部位(拱顶、拱脚、直墙边及拱底)承受拉应力,且拱脚处的最大、最小主应力最大,最易发生破坏。     

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。     

浅埋大断面地铁隧道施工方法模拟优化分析

以乌鲁木齐地铁1号线三-新区间大断面隧道为例,采用MIDAS/GTS有限元软件,针对CD法、CRD法、双侧壁导洞法等3种工法分别进行数值计算。以对比分析不同工法下围岩变形、应力、塑性区及地表沉降规律。研究结果表明,采用CD法产生的地表沉降最大,CRD法施工可以有效减小隧道拱腰、拱肩处的水平变形,相对来说双侧壁导洞法能够有效控制拱顶沉降。     

软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律研究

采用能描述岩体大变形特征的几何非线性程序FLAC进行数值模拟研究 ,揭示了软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律 ,即软弱围岩隧道的最大变位方向与最大主应力方向存在相互垂直关系的变形规律 ,这一结论与人们已认同的通常情况下隧道围岩所表现出的相互平行关系变形规律截然不同。需要指出的是 ,这种“相互垂直关系”的围岩变形规律 ,与一些工程实例的现场位移量测结果 ,却表现出完全的一致性 ,例如在高地应力条件下已发生大变形的家竹箐隧道工程 ,其围岩变形规律便是如此。     

大断面小净距城市隧道洞口段穿越散岩堆积体施工技术

以曾家岩北延伸段二标段火凤山隧道工程为背景,采用FLAC3D软件研究不同施工工法、开挖顺序对大断面小净距城市隧道围岩变形规律的影响.结果表明:散岩堆积体地层条件下,隧道开挖采用台阶法造成的竖向位移较大,CRD法开挖围岩变形较小.由于左线隧道埋深大于右线隧道,左线隧道各监测点竖向位移均比右线隧道大.隧道开挖顺序对围岩变形...     

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。     

高地应力软岩隧道合理施工工法研究

以宜昌—巴东段的几座软岩特长隧道为例,针对隧道埋深大、围岩超过50%为软弱易流变的粉砂质泥岩、泥质灰岩、页岩等特点,通过对高地应力软岩隧道合理施工工法的研究,分析了高地应力软岩隧道合理的施工工法,为今后类似工程的建设提供有益的借鉴。     

初始水平地应力对高地应力隧道施工稳定性的影响

高地应力是山岭隧道常见不良地质条件之一。文章以某典型高地应力硬岩公路隧道为例,基于有限差分软件FLAC3D,建立三维数值模型,在不同初始水平地应力条件下,对隧道开挖的稳定性进行了研究。结果表明:初始水平地应力的大小对高地应力隧道施工的围岩稳定有显著影响。当初始水平地应力逐步增加时,洞周围岩的最大位移位置从拱顶、拱底向拱腰处转移;隧道拱顶处围岩最小主应力近似呈线性增长;洞周形成的塑性区范围增大,在拱肩处尤为明显;二次衬砌内力均会有所增大,且显著高于非高地应力的一般情况。     

深埋公路隧道围岩大变形预测研究

随着我国西部大开发基础设施的大规模兴建,越来越多的深埋公路、铁路隧道和水电、矿山地下坑道将要或正在高地应力环境条件下进行修建,围岩大变形的预测与防治已成为地下工程关键技术问题之一。本文以某公路隧道的围岩大变形预测研究为例,通过对隧道围岩中软岩的物理和化学成分测试,岩石为非膨胀岩,预测其将发生挤出型变形;结合场区的地应力实测资料,通过三维数值模拟的方法,求解出隧道沿线最大主应力分布情况。对详细地质勘察中采集的岩芯进行单轴和三轴物理力学实验,得到围岩的抗压强度;应用强度应力比临界值法和数值模拟技术,综合分析和预测可能发生的隧道开挖大变形部位和变形破坏模式,进而制定科学合理的隧道开挖支护方案。     

高地应力层状软岩隧道非对称挤压大变形分级修正方法研究

为探明高地应力层状软岩隧道非对称大变形特征,收集200个高地应力层状软岩隧道大变形案例数据,统计分析非对称大变形的影响因素,采用关联规则方法分析隧道相对变形量、非对称变形部位,研究非对称大变形分级修正方法.结果表明:高地应力层状软岩隧道大变形分级非对称主要因素为岩层倾角α、岩层走向与隧道轴线夹角β、原岩应力场最大主应力...     

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。     

考虑蠕变特性的高应力软岩隧道变形预测方法与实践

为研究高应力软岩蠕变特性对隧道围岩变形预测的影响，以木寨岭公路隧道为依托，首先采用三维计算模型与多元线性回归相结合的方法分析初始地应力场，并结合围岩段落划分，选择典型计算断面；其次，提出基于[BQ]值的围岩参数取值方法，确定典型计算断面的围岩参数；而后，开展基于M-C模型和Cvsic模型的断面变形计算，剖析岩体蠕变特性对围岩变形的影响；最终，对比了预测结果与实际围岩变形。结果表明：(1)岩体蠕变特性对围岩变形具有明显增大效应，围岩位移增长量与横断面平均主应力呈正相关；(2)围岩条件越差，蠕变增大效应越显著；横断面平均主应力越大，蠕变增大效应中位移增长量越大，而位移增长率变化不明显；(3)蠕变特性对围岩变形等级预测有明显影响，M-C模型预测结果弱于Cvisc模型，与实际围岩变形情况存在较大差异。研究结果为在高应力软岩隧道变形预测中引入岩体蠕变效应奠定了实践基础。