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。     

富水软岩隧洞变形特征及变形机制分析

 基于库尉引水隧洞现场监测资料,对富水软岩隧道的变形特性及变形机制进行分析。研究表明：侧墙收敛变形是拱顶沉降变形的2～3倍,且前者稳定时间长。土质软岩隧道的变形受时空效应综合作用的影响,即使在开挖面影响范围之内,时间效应也能产生很大比例的变形。侧墙变形受空间效应影响范围为4D～5D,与拱部变形相比,其时间效应更为显著。围岩–支护结构的变形在不同部位的特性主要是由各部位的围岩变形方式和应力释放规律所决定的,侧墙处围岩应力释放时间效应明显,塑性区不断增长发展,形变压力也随时间增长难于稳定。拱顶处存在一定深度范围内的围岩整体下沉现象,围岩压力稳定时间短。该研究对软岩隧道施工、监测具有一定指导意义和参考价值。     

浅埋泥岩水工隧洞变形特征及主要工程地质问题

本文采用地质定性分析和FLAC3D三维数值模拟定量分析的方法,以保定市王快水库和西大洋水库综合管理工程中的湾子隧洞为例,分析研究了第三系泥岩中浅埋水工隧洞的变形特征及存在的主要工程地质问题。研究结果表明,极软岩隧洞变形的主要形式为底鼓、边墙内移和拱顶下沉。初期支护底板不封闭时,泥岩隧洞变形最初体现为底鼓,然后为底脚内移及拱顶下沉。软弱夹层、张性裂隙、地下水等不良地质因素,以及底板初期支护滞后等施工因素,对泥岩隧洞稳定性存在明显的不利影响,极易引起拱顶塌方、片帮甚至整体失稳等不良地质问题。故极软岩隧洞初期支护应紧跟掌子面,并及时进行永久衬砌。     

高速铁路隧道围岩变形影响因素分析

作为衡量隧道结构体系稳定性的重要指标,隧道变形具有科学性、及时性、可靠性和便捷性的优点。本文采用数值模拟方法 ,对围岩变形随支护结构施作时机、支护结构厚度、围岩弹性模量和隧道埋深四种因素的变化规律进行系统分析。研究表明。(1)随着应力释放率的增大,隧道拱顶和边墙处的围岩变形均不断增大,洞周围岩变形影响范围也不断增大。(2)随着支护结构厚度的增大,隧道拱顶和边墙处的围岩变形及影响范围不断减小,但减小趋势逐渐趋缓。(3)随着土体弹性模量的增大,隧道拱顶和边墙处的围岩变形及影响范围不断减小,但减小趋势逐渐趋缓。(4)随着隧道埋深的增大,隧道拱顶和边墙处的围岩变形不断增大,且在其他条件一定的情况下呈线性变化趋势。研究成果明确了四种主要因素影响下隧道的变形规律,对高铁隧道变形控制对策的选择具有一定的借鉴意义。     

高地应力大断面软岩隧洞支护效果模拟分析

文章以锦屏二级水电站引水隧洞为工程依托,采用有限差分软件FLAC3D对超深埋大断面软岩隧洞初期支护作用进行了模拟分析,探讨了不同支护类型及参数时,隧洞拱顶和边墙的变形的特征,计算结果显示拱顶和边墙变形主要发生在离掌子面前后方10 m的开挖过程中.通过不同支护工况的对比分析,发现喷砼支护对抑制隧洞变形的效果最好,拱架次之,而系统锚杆无法保证变形尽快收敛,联合支护对抑制围岩变形的作用并不是各单一支护的叠加.     

高地应力软岩隧道开挖方案优化研究

麻竹高速公路黄家寨隧道围岩强度低,且属于极高地应力区。隧道现场监测数据显示,围岩整体变形速率快、累计变形量大且变形时间长,呈现显著的蠕变变形特点。采用Phase2软件对隧道开挖支护方案进行了模拟,分别计算在两台阶开挖不支护、两台阶开挖支护、预留核心土开挖支护、三台阶开挖支护四种工况下围岩的塑性区和位移。计算结果表明:通过初期支护可以有效减少围岩塑性区及位移,支护后围岩最大变形部位由拱顶转移到拱脚。对比不同开挖方案下的计算结果,可知采用预留核心土开挖方法时,隧道围岩塑性区深度和拱顶沉降小于其他两种开挖方案;采用三台阶开挖方法时,围岩最大位移最小,但拱顶沉降最大。由于该隧道水平收敛远大于拱顶沉降,因此建议黄家寨隧道采用对围岩水平收敛控制效果较好的三台阶开挖方案。     

软弱围岩隧洞位移和应力释放规律研究

软弱围岩强度低、自稳能力差,在隧洞施工中易引起不同程度的塌方,造成生命财产的损失。因此,研究及时支护情况下软岩隧洞围岩的位移和应力释放规律显得尤为重要。笔者采用三维数值方法系统研究了隧洞开挖过程中的位移变化规律,并结合二维数值分析方案研究了围岩应力释放系数随工作面推进的关系。研究表明:(1)埋深、洞径和洞型等对拱顶位移释放系数影响较小,而岩性对其影响显著;(2)拱顶位移释放随应力释放变化过程大致可分为3个阶段,且岩性越差达到相同位移释放率时所需的应力释放率也越大;(3)研究断面前后一倍洞径是围岩应力调整的主要阶段,且应力释放率随岩性的弱化而增强;(4)初期支护对岩性较差的隧洞效果更明显。     

库尉输水工程富水土质洞段的流固耦合分析

库尉输水隧洞前段位于库鲁克山北侧倾斜砾质平原区,地下水位埋深较浅(最浅处仅为1.4 m),且远高于设计洞顶,给设计和施工带来了巨大的困难和挑战。在深入分析水文地质条件的基础上,采用大型有限差分软件FLAC3D对3个典型断面进行了流固耦合分析。研究表明,地下水对隧洞受力及变形特性影响显著,耦合条件下低液限粉土洞段拱顶变形约为不考虑渗流影响时的5.6倍,且与实测值更为接近;不同围岩类型和水文地质条件下各洞段的变形差异较大,耦合条件下低液限粉土洞段的拱顶变形为90 mm、而粉土夹砂和粉细砂夹砾石洞段的变形分别为36 mm和26 mm;耦合条件下各典型断面支护结构受力均超过了素喷混凝土的设计抗拉强度(1.1 MPa),需尽快施做二次衬砌。以上研究成果可为本工程及类似工程的设计与施工提供参考。     

含软弱夹层浅埋隧道变形特性及控制指标研究

以宁安(南京—安庆)客运专线钟鸣隧道交叉中隔壁(CRD)法施工地段为工程背景,采用FLAC3D对含软弱夹层浅埋隧道不同施工条件进行三维数值模拟分析,结合围岩变形现场实测数据,深入分析其围岩变形特性及控制效果,建立该类隧道围岩变形分级控制量化指标。研究结果表明:采用CRD工法开挖含软弱夹层浅埋隧道可以有效控制围岩变形,超前小导管注浆加固拱顶围岩可以明显控制其变形效应;由围岩开挖引起的纵向影响范围为3.0~3.5倍洞径,横向影响范围约为4.0倍洞径,且其围岩变形表现出明显的空间效应;模拟计算和现场实测的围岩变形规律基本一致,且与Panet曲线更接近,其开挖面处预收敛变形RU占总变形M RU比值约为45%;围岩变形分级控制指标中地表沉降和拱顶下沉极限值分别为40和80 mm,拱顶下沉速率和相对下沉极限值分别为5 mm/d和0.64%。     

埋深对软弱隧道围岩破坏影响机制试验研究

通过室内模型试验,研究公路隧道IV,V级围岩在不同埋深条件下全断面开挖时的围岩破坏情况,实现自重应力场作用下毛洞状态时隧道围岩破坏过程的试验模拟,得到拱形塌方和塌穿型塌方2种围岩破坏模式。试验结果表明:隧道围岩的破坏从拱顶开始,并逐渐向上发展;埋深越小,隧道越易发生塌穿型塌方,而当埋深小于某一值时,因隧道开挖后围岩应力未超过围岩强度,隧道反而能保持稳定状态;对塌穿型塌方,隧道埋深越大,开挖后围岩维持稳定时间越短,塌方程度越严重,塌方向地表发展得越快;对同一类型的塌方,隧道埋深越大,塌方后隧道周边应力变化幅度越大。     

TBM自重对围岩变形影响的数值模拟研究

为研究双护盾全断面隧道掘进机(TBM)自重对围岩变形的影响,基于FLAC3D有限差分软件,通过改变隧道的埋深与围岩条件,建立3种工况数值模型,并对每个工况分别进行了考虑TBM自重与不考虑其自重的数值模拟,以对比各种工况下有无TBM自重作用的隧道围岩纵向位移曲线(LDP曲线);研究了TBM自重对围岩变形的影响。模拟结果表明,TBM自重可抑制隧道围岩的径向位移,并随着开挖隧道的围岩等级升高、埋深变浅,其自重对围岩变形的影响越大,且与不考虑TBM自重的围岩变形相比,边墙洞壁的径向位移减小率最大,仰拱与拱顶次之。这些认识对研究TBM与围岩的相互作用和预测卡机有重要意义。     

N-J水电站引水隧洞大变形段长期稳定性分析

深埋软岩隧洞围岩蠕变特性将会对隧洞的长期稳定性产生重要影响。以巴基斯坦N-J水电站深埋引水隧洞的泥质粉砂岩为研究对象,通过室内的三轴蠕变试验,建立了适用于该岩石的幂指数蠕变模型。通过对大变形段围岩变形监测结果的反演分析,得到了围岩体的蠕变参数,并基于此对引水隧洞软岩大变形段的长期稳定性进行了分析。结果表明,引水隧洞运营10年后,围岩的拱顶下沉增量为20.3mm,水平变形增量为18.1mm,衬砌的受力主要以压应力为主,最大压应力达到了63.4 MPa,主要出现在拱顶和拱腰部位,出现了局部的受压破坏,为保证隧洞安全,需在拱顶和拱腰部位进行加强支护。     

基于监测分析的隧道围岩与支护力学响应

结合具体工程实际,研究了复杂地质背景下围岩变形与初期支护受力特征,并基于现场监测数据,从隧道水平收敛监测、拱顶沉降监测两个角度,分析了施工期隧道围岩的受力状态及围岩与支护的力学响应规律。结果表明,隧道围岩位移-时间曲线图呈"台阶型",曲线类型可分为三个阶段:增长和急速增长阶段,该阶段一般出现在开挖的1~10d左右;缓慢增长阶段,该阶段一般出现在开挖的11~30d左右;趋于稳定阶段,该阶段一般出现在开挖的31~42d左右。"台阶型"曲线与实际相符,当开始开挖隧道时围岩变形速率急速增大,随着围岩变形速率逐渐减慢,然后受下一步开挖的影响,围岩变形仍然处于缓慢增长,最后随着开挖步骤的减少,围岩变形逐渐趋于稳定。     

考虑含水率的昔格达地层隧道围岩稳定及亚级分级研究

昔格达地层隧道围岩对水极为敏感,遇水泥化等现象,造成围岩变形过大,支护结构开裂崩解和掌子面掉块塌方等地质灾害。该文通过现场采集、室内试验、数值模拟、现场监测和理论分析等手段,在考虑含水率的基础上对昔格达地层隧道开挖围岩稳定及围岩亚分级进行深入研究。研究结果表明：含水率对昔格达地层灰色页岩夹砂岩的黏聚力影响最大,对浅灰色页岩夹砂岩的内摩擦角影响最大。当含水率达到25%时,隧道开挖产生的拱顶累计变形、仰拱累计变形、水平收敛累计变形及掌子面累计变形值及掌子面挤出变形值均有较大的突变;隧道仰拱隆起累计变形最大值>掌子面挤出累计变形最大值>拱顶沉降累计变形最大值>隧道水平收敛累计变形最大值。对岩性进行机理分析发现昔格达地层隧道围岩的亚分级物理力学特性基本上处于Ⅳ3、Ⅴ1和Ⅴ2围岩。除了2号土浅灰色砂岩夹页岩处于Ⅳ3外,其他土样都是属于Ⅴ级范畴。同时得到含水率修正后的昔格达地层隧道围岩亚分级的围岩特征、含水率范围和BQ值范围,并提出亚分级后对应的工程措施。研究所采用的方法和结果可为昔格达地层隧道安全快速施工提供指导。     

复杂地应力环境大型地下洞室围岩时效变形机制及力学模拟

提出复杂地应力环境下大型地下洞室开挖围岩时效变形机制及其力学模拟方法。基于变形监测资料和岩体力学分析认为,中高地应力条件下岩体由高围压环境急剧转变为低围压、高应力差环境的力学机制和工程开挖引致围岩扰动破坏的空间效应是复杂地应力环境中洞室围岩时效变形的主要作用机制。采用应力释放有限单元法模拟洞室动态开挖过程,通过引入时间因子,建立开挖荷载释放与空间扰动效应的时间相关函数,提出基于时效变形过程的开挖荷载分时分级释放方法和基于主、次级开挖松动区的围岩变形模量劣化模型。工程实例表明：该方法通过将开挖荷载释放与开挖扰动空间效应耦合计算,能够合理有效地模拟大型地下洞室施工开挖全过程围岩的时效变形力学行为,对于理解和控制复杂地应力环境大型地下洞室高边墙变形破坏行为和时空效应,优化洞室施工开挖支护与监测反馈等具有一定的应用价值和实践意义。     

复杂地质条件下导流洞塌方的离散元法模拟研究

锦屏一级水电站左岸导流洞地质条件非常复杂,地应力极高,节理、断层发育,施工过程中发生了较大规模的塌方。基于离散元法模拟主要节理和断层,建立计算模型,通过计算和分析,得到导流洞围岩的变形破坏规律。导流洞开挖后,围岩应力释放,结构面松弛、滑移,导致围岩边墙首先产生纵向裂缝,拱顶出现掉块;随着结构面变形加剧,边墙沿结构面进一步滑移张开,拱顶的支撑作用减弱导致坍塌,计算模拟和实际塌方情况基本一致。     

山岭隧道洞口段围岩变形特征分析

为了研究山岭隧道洞口段围岩变形特征,以贵州省晴隆-兴义高速公路登攀隧道为工程依托,对洞口段围岩变形展开研究,通过对现场围岩变形进行监测和数据处理,分析了山岭隧道洞口段围岩变形的时间与空间效应,进而对山岭隧道洞口段围岩变形时间特征和空间特征展开研究。研究结果表明:隧道开挖引起围岩变形具有明显的时间效应和空间效应,监测断面围岩变形在开挖后历经8 d和27 m～30 m后稳定;山岭隧道洞口段围岩变形具有明显的空间特征,周边收敛值在时间轴上规律性较差,但累计变形量较小,对隧道围岩稳定性影响有限;洞口段拱顶沉降与地表沉降时间历程曲线有明显的规律,但累计变形量、分布特征与围岩本身属性紧密相关,地域差异性较大。     

超浅埋大跨偏压隧道双侧壁导洞法施工力学特性分析

超浅埋跨偏压隧道由于跨度大、埋深浅、地形偏压,加上施工期间各道工序的相互影响,围岩的多次扰动等因素,导致施工过程中力学行为复杂,极易发生失稳乃至坍塌事故。利用有限元软件ABAQUS建立三维模型,对超浅埋大跨偏压隧道双侧壁导坑法施工过程进行三维模拟计算,分析了隧道围岩在开挖过程中位移场、应力场及支护结构受力的变化特征。结果表明(1)同一断面上地表沉降与拱顶沉降比值接近于1,深埋侧地表监测点沉降大于浅埋侧沉降;(2)开挖过程中,围岩应力不断变化,拱顶、深埋侧拱腰及拱底部位主要承受较大拉应力,浅埋侧拱腰以及左右边墙承受较大压应力;(3)当左右导洞下台阶开挖时,中导洞核心土会出现围岩塑性贯通区。(4)初衬受力随着开挖不断变化,当全断面闭合后,主要在拱底和拱顶出现拉应力集中现象,而二衬则在拱底会出现较小拉应力。     

超大断面隧道双侧壁导坑法开挖步序优化

重庆市轨道交通5号线1期3标段为富水浅埋扁平超大断面隧道工程,采用9步双侧壁导坑法中的对称开挖步序施工。应用MIDAS-GTS软件建立隧道三维有限元模型,计算了3种不同开挖步序条件下地表沉降、围岩变形和支护结构受力情况,并将计算结果与现场监测数据进行了对比验证。验证结果表明:扁平超大断面隧道拱顶区域受力作用面较大,拱顶区域围岩及喷混支护应力较大,拱顶稳定性较低,拱脚应力集中。施工阶段隧道结构对横向变形较为敏感,3种开挖步序拱脚水平收敛值曲线随施工步序呈现多台阶变化;中隔墙核心土拆除时,水平收敛值及拱顶沉降值曲线出现突变,该阶段应增大监测频率。对3种施工步序进行了数值模拟,提出了本工程地质条件下大跨扁平隧道施工的合理步序。     

浅埋偏压隧道进洞施工力学特性研究

隧道进口段围岩常常具有浅埋、偏压、风化严重等特点,若施工处理不当,极易造成洞口边、仰坡滑动和洞内塌方等事故,从而影响隧道正常施工和人员安全。结合具体工程,对浅埋偏压隧道进洞施工开展了三维数值模拟,并结合监测数据分析了施工对围岩和支护结构力学特性的影响,主要结论如下:围岩变形具有非对称性,浅埋侧围岩变形量要小于深埋侧;随着隧道的逐步开挖,隧道深埋侧拱脚和浅埋侧拱肩处围岩易于发生剪切破坏,而且围岩的塑性区也主要位于这两个区域,并逐渐向拱顶上方贯通;初期支护结构的受力状态受偏压地形影响显著呈非对称性,而超前支护受偏压影响较小;现场实测围岩变形与计算结果较为吻合,且变形在22天后达到稳定状态。