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。     

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。     

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。     

高地应力软岩隧道断面优化研究

高应力软岩隧道如开挖和支护方案不合理围岩很容易出现大变形,严重的还会出现隧道坍塌,严重影响施工安全和施工进度。本文针对大埋深软岩隧道的合理开挖断面、合理施工工序、支护参数进行了深入研究。优化后的方案改善了断面仰拱位置的几何奇异性,使得开挖断面更加的平滑,使衬砌的受力更加均匀。优化后的方案在尽量不增加开挖面积的前提下,增加了仰拱的深度,很好的控制了围岩的竖向收敛,从而有效地控制了围岩塑性区的发展。从计算结果可以看出,优化断面在开挖面积仅仅增大6.8%的情况下,可以使得隧道的竖向收敛减少33.1%,衬砌最大拉应力减少35.1%。     

高地应力软岩隧道大变形的控制技术探讨

为解决高地应力条件下软弱围岩大变形造成的断面缩小、基角下沉等破坏问题,分析了隧道内软弱围岩的受力情况,并建立了数值分析模型,对两种不同的开挖方法进行了模拟分析,以探索出更好的控制高地应力软岩隧道变形的措施。     

高地应力条件下隧道大变形的数值模拟分析

基于陈至达提出的大变形问题基础理论,指出了以传统小变形理论研究软弱围岩隧道大变形问题存在的弊端。运用非线性数值模拟大变形的手段,针对二郎山公路隧道在高地应力条件下软弱围岩的大变形进行了研究,进而探讨了大变形破坏的本质问题。     

高地应力隧道支护参数优化设计研究

依托某在建高速公路项目,开展高地应力隧道支护参数优化设计研究。对试验段隧道拱顶沉降以及水平收敛进行现场监测,结果表明：采用以工字钢为支护骨架的单层初支不能控制高地应力隧道的大变形,主要表现为拱架破坏、混凝土剥落;采用“双层初支”在一定程度上可控制大变形;增加内层支护的刚度在一定程度上减小“双层支护”的累计变形量,但无法大幅度缩短变形稳定周期;适当增加内外层初支之间的预留变形量支护效果最佳,累计变形量较小同时变形稳定周期缩短。     

高地应力特长大断面隧洞围岩稳定监测与分析

对大埋深高地应力大断面引水隧洞开挖围岩稳定问题,运用隧洞施工理论和监测技术与方法,充分结合工程实际,采用断面收敛仪、多点变位计、振弦式锚杆应力计等监测仪器及方法对围岩收敛变形、隧洞围岩深部变形以及锚杆轴力等围岩稳定进行监测和分析。结果表明：大埋深软L弱围岩地质条件下,隧洞会产生大变形,即使是在初期支护的作用下,净空收敛的量值和速率在测试初期也是很大：隧洞开挖效应对左右边墙锚杆的轴力变化影响较大,而对拱顶锚杆的轴力变化影响较小;洞室开挖侧墙水平应力释放容易导致高边墙产生片帮、剥落,在开挖时应加强高边墙的位移和应力监测,适时进行支护。     

锦屏辅助洞高地应力围岩稳定性数值模拟分析

在深入研究锦屏辅助洞高地应力分布规律的基础上,建立起高地应力作用下隧洞围岩结构非线性有限元仿真计算模型,通过计算分析得出了不同的应力状态下围岩的应力和塑性区发展情况。计算结果表明,隧洞局部出现严重破坏,由于岩体完整,因而整体稳定性较好。     

软岩浅埋段大断面输水隧洞围岩参数反分析

本文针对位移反分析法在隧道设计与施工过程中的实际应用进行可行性研究,以浙江临海市大田平原排涝隧洞工程为研究背景,对所选反演参数进行了黄金分割优化迭代计算,结合现场监测数据和FLAC^3D有限元软件,对围岩松动区进行了位移反演分析和隧道数值模拟计算。研究结果表明,利用该类反分析方法得到的围岩反演参数组合较为可靠。对同一隧道断面的拱顶进行锚杆应力数值模拟,与对应点的监测数据比较吻合,进一步验证了反分析参数的可靠性。     

深部高地应力巷道断面优化研究

巷道失稳和维护困难是困扰高地应力深部矿井的普遍问题,严重影响矿井的生产和经济效益的提高。深部矿井高地应力巷道有其自身的应力分布特点,对巷道的支护设计提出了更高的要求。研究从巷道断面优化着手,根据深部矿井高地应力巷道的地质赋存特征,结合淮南-780m水平现场地应力测试及室内岩石物理力学性质测试结果,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,建立巷道支护的三维数值计算模型,通过对几种方案巷道周边塑性区分布、应力场、位移场等的分析对比,得到了较为易于维持巷道稳定的巷道断面优化设计方案。     

高地应力软弱围岩隧道初期支护受力特性的现场监测研究

由于作用在初期支护上的围岩压力大,高地应力软弱围岩隧道开挖后经常出现围岩大变形、喷混凝土开裂、钢架扭曲等破坏现象,影响隧道的施工和长期运营安全。依托宜万铁路堡镇隧道,通过对围岩压力、初期支护喷混凝土应力、钢架应力、锚杆轴力和围岩深部位移等的现场监测,得到围岩压力与初期支护体系各子构件的力学特性,讨论其随时间的演化特性和沿隧道横断面的空间分布规律,指出围岩压力、钢架应力、喷混凝土应力随开挖进程存在急剧变化阶段,受施工扰动的影响显著,敏感性依次降低,沿洞周分布总体表现出“上部大,下部小”等特征。研究方法和结论为建立科学合理的高地应力软弱围岩隧道支护结构设计方法具有一定的指导和借鉴意义。     

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。     

高应力软岩隧道开挖优化及锚杆加固效果研究

针对高应力软岩地层中时常发生的隧道塌方事故,以某铁路隧道Ⅳ级较软围岩洞段为研究对象,在隧道工程地质条件与地应力测试分析结果的基础上,对该隧道进行有限元分析,从不同角度对开挖方案进行优化,并在优选方案的基础上对锚杆加固效果进行了研究。研究表明:(1)开挖进尺越大,开挖扰动越大,围岩的变形位移量越大;(2)采用预留核心土法比采用全断面法和三步台阶法更有利于隧道稳定;(3)锚杆加固法在高应力软弱围岩中具有较好的效果。研究结果为隧道的开挖稳定性及安全支护提供参考,并对类似高应力软岩隧道的分析提供借鉴。     

高地应力区公路隧道不同围岩类别的变形特征及应用实践

以川藏公司二郎山隧道工程实践为典型实例,依据施工地质围岩分类,分析了高地应力区公路隧道不同围岩类别的变形特征,为围岩稳定性评价和支护措施优化提供了信息。     

高地应力环境下乌鞘岭深埋长隧道软弱围岩流变规律实测与数值分析研究

在高地应力环境下的软弱围岩中修建深埋长隧道，软弱围岩流变一是个突出的工程地质问题。位于兰新铁路上的乌鞘岭深埋长隧道工程在穿越宽达785m的断层F7时，软弱围岩发生了显著流变，围岩最大收敛变形超过1m，对支护结构造成严重破坏。首先，在对乌鞘岭深埋长隧道进行长期围岩收敛变形的基础上，分析乌鞘岭深埋长隧道左、右主洞的收敛变形规律，其研究结果表明左线主洞的收敛变形均大于右线主洞，这是由于进行右线主洞施工时吸取了左线施工的经验；然后，利用FLAC^3D对乌鞘岭深长隧道软弱围岩流变进行数值研究，数值分析结果与实测结果较为一致；最后，提出对软弱围岩流变进行工程治理的6条原则。     

高地应力软岩大变形隧道施工技术分析

依托成兰铁路项目高地应力软岩大变形隧道工程,通过对成兰铁路铁路沿线地质条件的分析,结合成兰铁路施工特点及软岩大变形分级管理研究,对隧道不同等级高地应力软岩大变形段采取增加预留变形量、长短锚杆相结合、多层支护体系、早高强喷射混凝土、衬砌背后设置消能缓冲层等措施综合防治。     

深埋软岩公路隧道大变形段双层支护方案研究

根据云南省云临高速公路大亮山隧道穿越复杂地质条件时出现的初期支护开裂、仰拱隆起等灾害,单层初期支护无法抵抗围岩压力,采用双层初期支护进行优化设计。利用有限差分数值模拟软件对单层初期支护与双层初期支护开挖后围岩与支护结构力学响应进行对比,并与现场监测数据对比分析。研究结果表明：单层初期支护拱顶沉降、仰拱隆起、二次衬砌内力、塑性区半径均大于双层初期支护,采用双层初期支护可以保障隧道安全掘进;针对隧道拱顶沉降与仰拱隆起变形曲线,建议采用扩大拱脚、尽早施作仰拱、增设锁脚锚杆等措施控制隧道的变形、开裂等灾害。     

软弱破碎围岩隧道进洞新工法数值模拟及支护参数研究

我国西部山区地形陡峻、地质条件复杂,尤其是软弱围岩隧道洞口段施工十分困难,易出现洞口边坡滑动失稳或者强度不足等问题,因此,对软弱围岩隧道进洞施工新技术开展研究对我国西部山区建设具有重要意义。论文依托于昆明市某高速公路段隧道建设工程,基于软弱围岩变形控制技术提出采用全断面开挖配合玻璃纤维锚杆超前支护的隧道进洞新工法,并采用有限元软件MIDAS/GTS NX对该工法进行全过程模拟,研究玻璃纤维锚杆布设间距、锚杆长度、搭接长度对掌子面核心土加固效果的影响。