隧道断层带注浆加固围岩体爆破动力损伤特征

隧道穿越断层破碎带时为了避免突水、塌方等灾害发生,可以采用预注浆加固再爆破开挖的施工方案。明确注浆加固围岩的爆破动力损伤特性对隧道穿越断层破碎带安全施工具有重大意义。以赣深高铁龙南隧道穿越F8断层施工为例,采用双孔声波法测试得到隧道爆破后注浆加固围岩的声波波速随深度分布规律。基于应力判据和弹塑性本构模型,建立了岩体统计损伤模型,通过Fortran编译生成新的LS-DYNA求解器,采用完全重启动算法计算了10个循环爆破开挖作用下隧道注浆加固围岩的累积损伤演化和分布规律,与现场声波测试得到的围岩损伤分布基本吻合。数值分析结果表明,爆破后隧道注浆加固围岩的最大损伤深度位于仰拱底部,在需要锚杆锚固的拱顶、拱肩和拱腰等部位平均损伤深度均未超过2.5m;隧道上台阶和中台阶部位开挖面围岩上损伤程度最大,但损伤深度较浅,除拱脚外其他关键部位开挖面上围岩损伤程度较小但损伤深度较深。     

跨海峡隧道风化槽围岩衬砌防排水技术研究

 采用钻爆法修建海底隧道必须采取有效措施预防塌方、涌水、突泥等地质灾害,海底隧道钻爆法施工时如何安全穿越断层破碎带是工程设计与施工的技术难点。结合厦门跨海峡隧道围岩的特点,研究钻爆法穿越断层破碎带的注浆加固、防排水技术,提出不同围岩条件下的隧道防排水和注浆设计方案。并根据实验室三轴试验结果得到强风化花岗岩渗透系数以及反演的围岩力学参数,分析风化槽隧道衬砌的外水压力分布特点和量值。研究成果为衬砌结构设计以及国内同类型隧道的衬砌防排水和衬砌支护技术设计提供可靠指导。     

大型地下洞室衬砌质量及背后空区的一种检测技术

陆地声纳法用于大型地下洞室的厚层钢筋混凝土衬砌的检测有如下优点:它是弹性波反射法的一种新方法,弹性波不像雷达波那样会受多层钢筋网的屏蔽;可在衬砌表面用锤击震源激发和接收极宽频的反射波,可将测线上各测点的时间曲线汇成时间剖面图像,并可通过反射波的频谱、相位、振幅及波的叠加分析等探查衬砌厚度、衬砌背后空洞、空区,尤其是可探出混凝土中因振捣不好而产生的不饱满、不密实部位。实践证明,这种方法很适合于检测厚层钢筋混凝土衬砌。     

隧道穿越断层破碎带震害机理研究

首先对汶川“5.12”等各次大地震中跨越断层破碎带隧道震害进行了资料调研,然后通过振动台模型试验及数值计算对跨断层破碎带隧道的动力响应进行了研究,研究内容主要包括围岩与隧道结构的加速度响应特性、地层变形及衬砌结构内力分布规律等。分析结果表明：震害调研结果、振动台模型试验和数值模拟结果有较好的吻合性,穿越断层破碎带隧道在地震中易于产生破坏;隧道断层带段围岩有较大的加速度响应特性,加速度响应在断层接触段不连续;地震过程中断层带段隧道结构对地层具有明显的追随性和依赖性;断层带隧道错动破坏主要由断层带隧道围岩与较好段围岩位移不同步性而造成的位移差值引起,且位移差值与断层带和隧道较好围岩类型有关;隧道断层破碎带段与较好围岩段衬砌结构横断面具有基本相同的内力分布规律,衬砌内力在共轭45°方向最大,但断层破碎带段衬砌具有最大的内力峰值,更易于在地震过程中产生破坏等。以上成果对于合理认识跨越断层破碎带隧道的地震响应特征具有重要意义,可为隧道实际工程设计和施工的抗震设防提供宝贵的基础资料。     

既有隧道渗漏水分析及治理技术

详细分析了既有隧道渗漏水的种类及成因,阐述了常用隧道渗漏水的治理方法及其适用条件.常用的隧道治理的方法有二次衬砌内部注浆法、围岩注浆法、引排法和衬砌表面施工防水层法.具体工作中,应根据工程实际情况,选择合适的治理方法.     

列车荷载作用下纤维混凝土材料隧道衬砌受不同裂缝特征影响的结构稳定性分析

基于3种不同纤维混凝土材料试验，结合数字图像相关(DIC)技术得到理论研究所需的损伤本构参数，通过建立围岩–隧道结构数值模型，采用以应力强度因子和稳定安全系数为解析理论基础的有限元位移法，分析隧道二衬为常规混凝土和不同类型纤维混凝土工况下，不同裂缝位置、深度、宽度、倾角、车速和围岩等级等参数对带缝衬砌结构稳定性的影响规律。结果表明：衬砌裂缝在车载下呈剪压受力模式，相比于常规混凝土，纤维混凝土可有效提高带缝衬砌结构在车载过程中的结构稳定性，降低裂缝尖端的应力集中现象，其中玻璃纤维能力最强，混合纤维其次，PVA纤维最弱。同时，裂缝从拱脚至拱顶对衬砌结构稳定性的影响呈爬坡趋势，且相比于裂缝宽度，裂缝深度和倾角对车载下带缝衬砌结构的稳定性影响更为明显，拱顶裂缝倾角θ=45°时结构稳定性最差，以此为分界线的0°<θ<4 5°区域比45°<θ<9 0°更为危险，且其危险程度都随车速的增大而增大。当隧道洞周围岩为强度较低的V级时，纤维混凝土对结构稳定性的强化效果大幅降低，此时θ=45°的拱顶斜裂缝在裂缝深度较浅时结构就容易进入危险状态，工程中需特别注意此类情况的裂缝修复。     

穿越断层破碎带隧道动力响应特性分析

 通过数值分析和振动台模型试验相结合的方法,研究穿越断层破碎带隧道在地震荷载作用下横向内力分布和纵向动力响应特性。结果表明：围岩条件是影响衬砌地震内力的重要因素,围岩越差,地震作用产生的内力越大,其抗震性能越差;在横断面方向,不同围岩条件下衬砌内力均在共轭45°方向最大,为隧道抗震最不利位置;在纵断面方向,隧道位于围岩与断层破碎带接触面时,衬砌地震内力急剧增大;当隧道断面沿纵向远离断层破碎带一定距离后,其内力趋于一个稳定值。研究结果可为穿越断层破碎带隧道结构抗震设防提供参考。     

高铁隧道衬砌拱顶空洞对列车荷载响应研究

以某高速铁路某一隧道存在拱顶空洞为工程背景,基于高速列车振动荷载实测数据和列车振动理论,利用ABAQUS有限元软件,建立隧道衬砌拱顶不含空洞与含有不同深度空洞的隧道结构有限元模型,施加相应的约束及边界条件,对隧道结构在列车振动荷载作用下的动力响应行为进行数值仿真分析。研究结果表明,随空洞深度的增加,拱顶含空洞的衬砌结构将会使原有衬砌受力状态发生改变,空洞深度越大,围岩塑性区改变越明显,衬砌整体受力越不利;不含空洞的隧道衬砌关键点与轨道距离越近振动响应越明显,拱顶响应最弱;衬砌拱顶空洞深度对列车振动响应明显,随深度的加大,其响应越剧烈,使衬砌围岩塑性区发生进一步扩展并最终影响到隧道结构的整体稳定性,对列车运营安全造成威胁。研究结果对于进一步探索含缺陷隧道衬砌结构的劣化动力学行为奠定了基础。     

局部破碎带渗水条件下海底隧道稳定性的有限元极限分析

 以存在局部破碎带的青黄海底公路岩质隧道为例，考虑到海水的渗透性，采用有限元极限分析法分析海底隧道岩体注浆加固前、后的稳定性。计算结果表明，隧道整体是安全的，此种情况下，隧道衬砌原则上可按无水压设计，衬砌厚度与采用全水头设计相比可以大大降低。但当存在局部破碎带时，隧道安全系数降低，破碎带越宽，注浆堵水圈厚度越小，安全系数越小。与完整围岩破裂面位于两侧相比，含倾角45°破碎带围岩的稳定性最差。因此，必须做好破碎带的超前注浆堵水加固，以减少其渗水量，并对破碎带进行局部加固，此种情况下，隧道衬砌原则上可按有水压设计。     

软弱岩体中铁路隧道围岩稳定性及其控制

软弱岩体的特性主要表现为软弱、强度低、变形量大、自稳性差。在软弱岩体中开挖隧道若不及时支护,则有可能部分或全部破坏。因此,量测隧道在软弱岩体中稳定状态的变化过程,并研究其稳定性,是工程地质和岩石力学工作者的一项重要课题。本文是在阐述软弱岩体特性的基础上,应用近几年来我们在下坑和普济两座隧道进行的原位监测资料(其中包括用声波探测隧洞的围岩松弛带和用收敛计监测隧洞的周边位移),分析和讨论了隧道在软弱岩体中围岩的动态特性,以及围岩和喷锚支护共同作用下的变化过程;最后指出,采取轮廓控制爆破和喷锚支护技术是控制和改善软弱围岩稳定性的有效措施。     

隧道开挖的围岩损伤扰动带分析

在给出隧道开挖损伤扰动带的概念、主要影响因素基础上,提出了隧道开挖损伤扰动带的力学、渗流特征及表征方法。在现场实测基础上,利用数值法研究了隧道开挖后的不同开挖方法的变形、渗流场变化规律。结果表明:开挖损伤主要决定于隧道开挖方法;隧道开挖引起的渗流影响边界大于力学影响边界。研究结果有助于合理地建立隧道开挖问题的流固耦合模型。     

地下厂房围岩松动圈声波拟合及监测反馈分析

 在对锦屏一级水电站和溪洛渡水电站地下厂房围岩大量声波波速–深度曲线及其曲线拟合的基础上,将声波波速–深度曲线分成5类;利用经典的波速–弹性模量关系式将地下厂房围岩深度与弹性模量联系起来,对开挖后的洞壁岩体松弛现象和弹性模量下降的规律进行评价,提出洞周松动圈深度拟合公式。将提出的松动圈拟合公式应用于地下厂房围岩监测反馈分析和超前预报,分析成果比传统弹塑性理论更符合围岩实际变形规律。研究结果为围岩变形稳定分析和开挖反馈分析提供理论基础。     

锦屏深埋大理岩破裂特征与损伤演化规律

 锦屏二级引水隧洞最大主应力超过70 MPa,在如此高应力条件下,必然存在岩体强度和地应力之间的尖锐矛盾。深入认识大理岩的破裂特征,把握围岩的损伤演化规律,对于支护优化设计和评价围岩稳定性具有重要意义。在已有关于脆性岩石破裂问题研究成果的基础上,借助于裂纹体积应变拐点和大理岩体积应变拐点配合声发射测试,确定不同围压条件下大理岩的特征强度,并将特征强度在主应力空间中进行表达,形成现场可用的强度包线。利用起裂强度曲线分析损伤区的应力状态,并根据计算成果确定不同损伤区分区的范围,描述监测断面随掌子面推进过程中损伤区的演化过程。为进一步分析损伤区的演化规律,在监测断面布置声波和声发射测试,声波检测获得的松弛圈深度主要与损伤区中的破坏区相对应,而声发射测试可以获得完整的损伤区分布特征,更有利于了解围岩的损伤特征,可为支护优化设计和支护时机的选择提供更加科学的依据。     

爆破循环对围岩松动圈的影响

基于松动圈的现场测试结果,研究声波波速沿孔深的变化规律以及爆破施工对于松动圈的影响。结果表明,波速沿径向逐渐增大,经历一个波峰后又逐渐降低,最后趋于稳定。每一循环进尺,测区中都存在强化和弱化区域,分布比较复杂,与爆破前松动圈的大小以及爆破效果密切相关。而爆破循环的累积影响效应表明,弱化带位于裂隙区,其损伤是纵波和横波共同作用的结果;强化带位于应力集中区,主要得益于爆破的震实效应以及碎胀力的挤压。当测孔离掌子面达到一定距离之后,波速虽有小幅的调整但不影响松动圈的形状,应力集中区不会产生偏移,据此得出松动圈测定的原则和时机。沿着隧洞轴线方向,当测点离掌子面一定距离之后,波速趋于稳定,据此给出爆破施工影响范围的确定方法。爆破循环对于围岩松动圈影响范围的确定,可为软岩隧洞的围岩支护以及硬岩隧洞岩爆的防治提供依据。     

复杂结构形式隧道的围岩位移监测分析

 厦门市梧村隧道为双向六车道隧道,隧道结构形式设计复杂,分别由双连拱、小净距、初期支护连拱和分离式隧道组成。现场监测工作以隧道拱顶沉降和围岩收敛为主,结合施工措施和开挖工序进行全面分析。研究成果表明：三导洞法施工主洞沉降所占比例不到侧导洞沉降的一半,双连拱隧道结构型式适用于对沉降控制要求较高的隧道工程;CRD1部开挖产生的拱顶沉降可以超过累计沉降值的50%;核心土开挖后布设测点造成的总损失量约占累计沉降值的37.5%;采用全断面帷幕注浆措施加固围岩对控制隧道拱顶沉降取得较好的效果;管棚区域出现较大下沉与管棚工作室的断面稍大以及管棚两端受其自重影响较大有关;临时支护的拆除对拱顶沉降和围岩收敛的影响较小;开挖和注浆是引起围岩出现较大收敛变形的主要施工因素,其中注浆对围岩的收敛位移影响更大;初期支护连拱隧道右洞开挖对左洞二次衬砌的收敛稳定有一定的影响。     

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

 深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中，由于应力重分布导致围岩损伤破坏，传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展，采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性，但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究，缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22+029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟，使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化，定量模拟计算围岩损伤度的变化，揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性，得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主，围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹；损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系；损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义，也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。     

考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场及防寒保温材料敷设长度研究

 基于流体力学、传热学和空气动力学的基本原理与方法,推导出考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场模型,该模型包括：围岩温度场控制方程、隧道内风温场控制方程以及风流场湍流控制方程。在此基础上,采用数值分析方法探讨西藏嘎隆拉隧道通风条件下围岩温度场的变化规律及其防寒保温措施。研究结果表明：隧道未开挖前,随着季节的变化,山体浅部温度出现明显变化,该变化较明显的深度为18 m,当岩体埋深大于18 m后,岩体温度随季节的变化幅值小于0.5 ℃;隧道贯通后,由于通风影响,在环境温度最冷月(1月),隧道进出口段一定范围内的围岩温度出现了0 ℃以下的不利工况,进一步研究显示：在嘎隆拉隧道进口端600 m和出口端400 m范围内,二衬表面敷设6 cm厚的聚酚醛保温材料,可以有效地防止嘎隆拉隧道衬砌和围岩发生冻融破坏。     

变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟

 以一定范围内埋深(25～60 m)的3车道公路隧道软弱破碎围岩(公路隧道IV级)为研究对象,研制相似模型材料和配套试验设备,再现开挖后围岩的渐进性破坏全过程,分析不同埋深下围岩的应力场特征。通过模型材料室内试验获取岩体相关计算参数,引入弹塑性损伤本构模型对试验工况进行有限元数值模拟,计算结果与模型试验吻合较好。综合模型试验和数值模拟结果,可以得出以下结论：(1) 围岩破坏区是隧道塌落荷载的来源,主要集中在拱顶上方区域,在两侧边墙下方和拱底也有局部存在;(2) 隧道埋深对围岩破坏区域大小有重要影响,随着埋深的增大,围岩破坏区域呈渐进扩大趋势;(3) 围岩内的周向应力在隧道开挖后先升高而后逐渐降低,其最大值所在位置即对应压力拱位置,且该位置随着破坏区域的扩大而不断向围岩内部移动,形成动态压力拱现象;(4) 通过对围岩内部周向应力最大值的测试来获取隧道压力拱范围,并进而确定围岩塌落荷载大小,这在理论上是可行的。     

岩石介质中地铁列车运行引起的环境振动响应研究

 利用弹性波理论,分析适于分层地基的黏弹性人工边界;以处于岩石中的青岛地铁三号线为研究对象,采用有限元方法建立环境振动计算模型,针对不同岩层弹性模量、隧道埋深、衬砌厚度对地铁运行所致环境振动响应的影响规律进行研究。研究结果表明,不同深度岩层弹性模量的变化对地铁振动所致环境响应的影响不同;在弹性模量较大岩石介质中地铁引起的自由地表振动垂向加速度只有隧道顶部正上方一个放大区;地铁对自由地表的振动响应随隧道埋深减小而增大;衬砌厚度对地铁振动环境响应影响较小。