锚杆支护机理及其工程应用

简述了锚杆支护机理,阐明了锚杆的支护作用表现在对围岩应力状态的改变和对围岩力学参数的提高上.推导了具有加固圈圆形隧洞的弹塑性解析解,运用锚杆对圆形隧洞围岩物理力学参数提高的公式,得出了锚杆加固圆形隧洞的加固效应.通过计算验证了锚杆对围岩的加固作用.     

地下隧洞围岩抗震支护措施模拟及抗震支护效果分析

锚杆和衬砌是保证地震作用下隧洞围岩稳定的2种重要支护措施。将全长粘结式锚杆分段处理,建立复合加锚岩体单元模型,从物理参数加固和支护反力约束2个方面研究了锚杆对围岩的支护效应,据此提出了锚杆的抗震支护模拟方法。基于动接触力算法,通过模拟衬砌与围岩的动态接触过程,形成衬砌的抗震支护模拟方法。以某引水隧洞工程为例,研究了锚杆和衬砌2种支护措施支护参数的变化对围岩抗震效果的影响。结果表明：地震作用下锚杆和衬砌均具有良好的支护效果,但锚杆支护效果要优于衬砌,并且锚杆、衬砌均存在最优支护参数。计算成果可为地下隧洞的抗震支护优化设计提供科学依据。     

承压拱在隧道喷锚支护参数优化设计中的应用

国内隧道施工中对于Ⅲ类围岩喷锚支护的参数设计多数是根据围岩位移监测结果,经工程类比确定,没有考虑围岩主体对支护参数的影响。根据锚杆加固机理,从理论上阐述了系统布置锚杆时,由于锚杆和喷射混凝土与围岩的共同作用,在锚杆互相作用影响范围之内将形成一个加固后的承压拱。承压拱的厚度与锚杆的长度、间距、围岩的力学性质等因素有关。给出了锚杆加固影响范围系数K_l的计算方法,并根据围岩稳定所必须形成的承压拱最小厚度、锚杆加固影响范围系数K_l和锚杆的间距来确定锚杆长度的方法。优化后喷锚支护成本可降低30％。     

承压拱在隧道喷锚支护参数优化设计中的应用

国内隧道施工中对于Ⅲ类围岩喷锚支护的参数设计多数是根据围岩位移监测结果，经工程类比确定，没有考虑围岩主体对支护参数的影响．根据锚杆加固机理，从理论上阐述了系统布置锚杆时，由于锚杆和喷射混凝土与围岩的共同作用，在锚杆互相作用影响范围之内将形成一个加固后的承压拱．承压拱的厚度与锚杆的长度、间距、围岩的力学性质等因素有关．给出了锚杆加固影响范围系数Kl计算方法，并根据围岩稳定所必须形成的承压拱最小厚度、锚杆加固影响范围系数Kl和锚杆的间距来确定锚杆长度的方法．优化后喷锚支护成本可降低30％．     

Y岔圆形调压井洞室围岩稳定和锚杆支护分析

采用三维非线性有限元弹塑性损伤力学对琅琊山地下电站的Y岔圆形调压井的洞室围岩进行了分析计算,对各种工况下的围岩稳定和支护参数的合理性进行了评述.根据岩体损伤开裂后的应力应变关系,提出了变损伤刚度迭代计算方法,有效地反应了岩体损伤开裂后的围岩破坏特性;采用隐式锚杆柱单元模拟锚杆的支护效应,合理地反应了洞室开挖过程中的锚杆支护受力特性.通过对地下Y岔圆形调压井洞室围岩稳定分析计算,论证了该方法的可行性与合理性,为同类地下工程问题演示了一套完整的分析计算方法.     

隧洞支护效应的探讨

基于弹性理论,对隧洞开挖后和进行喷锚支护后的应力和塑性变形进行分析。运用FLAC 3D模拟了隧道开挖与支护过程中的力学行为,得到隧道在无支护和喷锚支护作用下围岩的塑性及应力变形情况。结果表明,在喷锚支护中,对锚杆施加预应力,其值为当隧道塑性区消失时所需支护力的大小。这种支护提高了围岩的自承能力,使围岩塑性区的扩展在隧道开挖不久就得到有效抑制,能有制止隧道围岩的进一步破坏。     

注浆、衬砌作用下非线性渗流隧洞弹塑性解

为探求深埋隧洞在非线性渗流条件下围岩-注浆圈-衬砌体系的力学行为,引入Izbash非线性渗流模型,给出了围岩-注浆圈-衬砌体系的水头分布,基于统一强度理论,考虑塑性区可能的分布位置,在注浆、衬砌支护作用下对隧洞位移、应力和塑性区半径进行了理论推导.通过算例将理论解与数值解对比分析,验证了研究方法的可靠性,并进一步探讨了考虑非线性渗流对富水山岭隧洞支护设计的工程意义.研究结果表明:非线性渗流对隧洞弹塑性力学的影响主要体现在围岩水力梯度系数m_1;围岩从低速非线性渗流向高速非线性渗流转变过程中,塑性区半径和位移越来越大,围岩应力有所减小;应从隧洞围岩的非线性渗流角度考虑注浆圈、衬砌支护厚度设计.研究成果为非线性渗流隧洞支护设计提供了理论依据.     

深部巷道围岩控制的有效途径

针对煤炭开采逐渐由浅部转向深部,提出在深部复杂的力学环境下,岩体力学行为和工程响应条件下深部巷道围岩控制的有效方法.文中确定了影响巷道围岩稳定性的因素,分析了各影响因素对巷道围岩稳定性的影响规律,认为改善巷道围岩应力状态及围岩力学性能、合理选择巷道支护形式和提高其支护阻力以及优化巷道断面等为深部巷道围岩控制的有效途径.现场应用结果表明:巷道首选在时空上避开高应力作用,底板掘卸压巷可使巷道变形量控制在20mm以内,上行开采改善了深部巷道应力环境,工作面推进速度由48 m/月提高到90m/月左右,巷道迎头超前钻孔卸压后巷道顶底板移近量减小了900mm;采用高强、高预紧力、高延伸率锚杆(索)支护系统配合合理的注浆加固参数,有效提高巷道围岩强度,巷道围岩变形量降低40%以上.另外,尽量选择弧形断面,壁后充填等措施,实现支护体均匀承载,提高支护阻力.     

深井巷道顶板锚固体破坏特征及稳定性分析

结合深井回采巷道围岩锚固体变形破坏特征,分析了深井回采巷道顶板锚固体失稳机理,建立了巷道顶板不同破坏形态的稳定性模型,得出了深井回采巷道锚杆、锚索支护条件下顶板锚固体稳定性力学方程,并结合古汉山矿深井回采巷道锚杆、锚索耦合支护方案开展验证性研究,对现场试验巷道顶板锚固体的稳定性进行了力学求解及数据分析,提出的深井回采巷道锚杆、锚索耦合支护方案支护参数合理,顶板离层量小于25mm、顶底板及两帮位移收敛量小于180mm,均保持在可控范围内,锚杆、锚索耦合支护有利于巷道围岩的稳定.     

陈四楼煤矿煤巷锚杆支护研究

结合陈四楼煤矿 2 4 0 1工作面机巷的具体地质条件 ,对煤巷锚杆支护机理进行了研究 .指出在顶板岩石强度较低的情况下 ,采用高强锚杆支护系统 ,并选择合理的锚固方式 ,可以有效地控制围岩变形 ,保持围岩稳定 .主要介绍了回采巷道锚杆支护的设计思路 ,采用数值模拟方法确定锚杆支护参数并在实施过程中对围岩变形进行监测 .工程实践表明 :应用锚杆支护与棚式支护相比 ,能有效改善围岩的稳定性 ,取得了良好的支护效果 .     

不同长度注浆锚杆支护效果及围岩变形曲线规律

为了探究注浆锚杆支护作用效果,以吉林甄峰岭隧道已出现大变形的软弱围岩区为例,分析了不同注浆范围条件下隧道循环进尺开挖后围岩变形规律.根据大变形区域实测位移进行反演分析,获取隧道围岩真实力学参数,分别对不同注浆锚杆施工支护方案进行循环进尺开挖计算,获得了各方案下隧道各位置位移变化曲线,并采用单元安全度方法对计算结果进行评价.结果表明,目标工程的注浆锚杆最佳应用长度为3 m,其作用效果主要体现在对急速变形阶段变形量的控制.     

Elasto-plastic analysis of the surrounding rock mass in circular tunnel based on the generalized nonlinear unified strength theory

The present paper aims to establish a versatile strength theory suitable for elasto-plastic analysis of underground tunnel surrounding rock. In order to analyze the effects of intermediate principal stress and the rock properties on its deformation and failure of rock mass, the generalized nonlinear unified strength theory and elasto-plastic mechanics are used to deduce analytic solution of the radius and stress of tunnel plastic zone and the periphery displacement of tunnel under uniform ground stress field. The results show that: intermediate principal stress coefficient b has significant effect on the plastic range,the magnitude of stress and surrounding rock pressure. Then, the results are compared with the unified strength criterion solution and Mohr–Coulomb criterion solution, and concluded that the generalized nonlinear unified strength criterion is more applicable to elasto-plastic analysis of underground tunnel surrounding rock.     

巷道围岩稳定性分析研究的现状与存在问题

实践证明：巷道围岩稳定性是由围岩的工程地质特征、地应力和支护控制技术决定的．故而，分析了影响围岩稳定的主要因素、所存在的主要问题及研究发展方向．     

武汉地铁矿山法施工隧道合理净距研究

选择合理的隧道净距值是小净距隧道工程设计的关键所在.本文以武汉地铁二号线矿山法施工隧道为研究对象,用数值模拟分析软件计算分析了不同净距条件下,后行洞施工时,先行洞围岩的力学及变形发展规律,通过分析中夹岩受力、地表沉降、拱底隆起和拱顶沉降这四个重要指标与净距的关系,综合分析确定满足安全与经济的合理净距取值,研究结论可为类似工程设计与施工提供一定参考.     

Numerical analysis of tunnel reinforcing influences on failure process of surrounding rock under explosive stress waves

Based on mesoscopic damage mechanics, numerical code RFPA2D （dynamic edition） was developed to analyze the influence of tunnel reinforcing on failure process of surrounding rock under explosive stress waves. The results show that the propagation phenomenon of stress wave in the surrounding rock of tunnel and the failure process of surrounding rock under explosive stress waves are reproduced realistically by using numerical code RFPA2O; from the failure process of surrounding rock, the place at which surrounding rock fractures is transferred because of tunnel reinforcing, and the rockfall and collapse caused by failure of surrounding rock are restrained by tunnel reinforcing; furthermore, the absolute values of peak values of major principal stress, and the minimal principal stress and shear stress at center point of tunnel roof are reduced because of tunnel reinforcing, and the displacement at center point of runnel roof is reduced as well, consequently the stability of tunnel increases.     

对轴对称荷载作用圆巷围岩理想弹塑性分析解的讨论

对轴对称荷载作用圆巷围岩理想弹塑性分析解——Kastner解适用于软岩和小变形情况,若用于非软岩和大变形情况,从Kastner方程会导得：不论巷道围岩塑性变形多大,巷道周边切应力恒等于岩体峰值强度;围岩所承受的地应力可以随围岩塑性区半径增大而持续增大,随巷道周边位移增大而持续增大;此外,Kastner解中切应力分布曲线在围岩弹、塑性区交界处有尖峰向上的应力集中.采用符合岩石实际的弹性、非线性硬化和软化光滑连接的应力-应变关系得到的巷道围岩分析解,可以弥补以上三点不足,恰当地反映巷道临界深度和巷道围岩自承地应力极限问题;所绘出的切应力分布曲线在围岩弹、塑性区交界处光滑连接,因而有更广的适用性和精确性,对巷、隧道围岩大变形支护设计有参考作用.     

考虑软化效应的隧道围岩自稳时间解析模型

现行隧道自稳时间解析法中未考虑地下水的软化作用,导致过高估计亲水软化性岩石的围岩质量。以具有典型软化特性的石膏岩为研究对象,探索水的软化作用对隧道围岩自稳时间的影响。采用试验和理论相结合的方法研究围岩自稳时间。首先,进行不同浸水时间下的石膏岩软化试验,研究其软化规律;通过试验获得石膏岩吸水率、弹性模量和泊松比分别与浸水时间之间的定量关系;在弹性模量与浸水时间及泊松比与浸水时间的定量关系中,引入完整性系数和富水系数,建立岩体力学参数软化方程。然后,基于经典的圆形轴对称隧道弹性解,考虑掌子面对隧道轴向位移的影响,推导出隧道临空面处无支护状态下的位移公式;把岩体力学参数软化方程嵌入此位移公式中,获得考虑软化效应的临空面位移解。最后,在此位移解中引入活跃跨度和围岩的临界位移值,建立考虑软化效应的隧道围岩自稳时间解析模型。该模型考虑了围岩体工程特性、岩石力学特性及岩石软化特性,能输出自稳时间与活跃跨度之间的关系曲线。经自洽分析法检验,该模型中自稳时间随各参数的变化规律与实际情况相符,模型具有自洽性。模型被应用于评价礼让隧道石膏围岩的自稳时间,现场反馈结果表明该模型更适合于现场应用。     

Stress and deformation analysis on deep surrounding rock at different time stages and its application

Based on the characteristics of the deep circular tunnel, the surrounding rock was divided into three regions: the cracked region, the plastic region and the viscoelastic region. The process of rock stress deformation and change was divided into three stages after the roadway excavation. By using the elastic–plastic mechanics theory, the analytical solutions of the surrounding stress and displacement at different stages and the radii of cracked and plastic regions were formulated. We additionally explained the surrounding rock stress and displacement which appeared in practical project. Simultaneously, based on the problem which emerged from a mine in Xuzhou during the excavating process of rock roadway’s transport, we got the theoretical solutions for the stress and displacement in the process of rock roadway’s excavation and considered that the broken area of rock roadway was largely loosing circle. The results indicate that according to the rheological characteristics of surrounding rock, in the primeval excavation of rock roadway, we should increase the length of anchor bolt and cooperate it with anchor nets cable-U steel supporting frame. In addition, when the deformation rate of the surrounding rock is descending after the 15 days’ excavation, we should use the “three anchor” supporting method (anchor bolt spray, anchor note and anchor rope) and set aside about 20 cm as the reserved deformation layer.     

深部复合顶板巷道变形破坏机理研究

高应力下软弱复合顶板的持续塑性变形破坏,是深矿井巷道支护与维护的难点之一.分析了车集煤矿2405工作面区段运输平巷和区段回风平巷的围岩结构和岩性特征,构建了该类巷道复合顶板的力学模型,导出了该模型的力学变形方程.对巷道顶板变形破坏机理进行了深入分析,认为当巷道顶板岩层所受轴向压力大于岩梁达到屈服时的临界压力0.8倍时,巷道变形(下沉)明显增大,严重时产生冒顶.提出了同类巷道掘进过程中围岩控制的关键措施.     

穿黄输水隧洞盾构施工进出洞地基加固技术研究

针对南水北调中线工程穿黄河输水隧洞泥水加压式盾构施工中进出洞地基的加固问题展开研究.穿黄河输水隧洞的盾构进出洞段埋深大,水位高,地质条件复杂,经多方案比选论证,拟采用高喷和化学注浆技术对进出洞地基进行加固.对该工程的进出洞地基加固范围进行了计算分析,分别计算了北洞的水土压力,由弹性力学理论计算其土体加固厚度.根据塑性松动圈的应力条件和破坏条件计算出加固土体的宽度.对南洞按土体整体滑移失稳可能形成的圆弧滑动面来确定加固范围.