浅埋黄土隧道塌方破坏模式及处置技术

以宁夏某浅埋黄土隧道塌方事故为依托,首先讨论分析浅埋黄土隧道的塌方破坏机理及模式,然后根据现场塌方情况,分析案例隧道塌方原因并提出处置方案,最后通过数值模拟和现场监测对其处置效果进行评价。结果表明：黄土自身的易灾性、不良地形地势、浅埋隧道施工扰动以及强降雨入渗共同导致隧道上方围岩形成一定范围的黄土软弱湿陷带,原隧道支护结构无法抵抗劣化后的围岩,围岩变形和结构受力均大幅增加,其中拱顶沉降增大了91.8%,拱肩处初支正弯矩增大了60.7%;黄土地层开挖面失稳破坏可分为掌子面到达软弱湿陷带的失稳破坏和穿越整个软弱湿陷带的失稳破坏两种模式;结合有限元模拟和现场监测验证,“临时支护系统+换拱+超前中管棚注浆加固”的综合防塌方处置技术应用效果显著。     

超大断面隧道软弱围岩控制机制及应用

为明确超大断面隧道软弱围岩破坏及控制机制,系统开展交叉中隔墙(center cross diagram, CRD)法和双侧壁导洞开挖方法下超大断面隧道软弱围岩控制机制数值试验,对比分析不同强度等级围岩、不同开挖方法在无支护、锚杆支护、H型钢拱架支护和H型钢拱架+锚杆支护四种支护方式下隧道围岩变形、支护构件受力变化规律,并研究超大断面隧道软弱围岩控制机制。同时对H型钢+锚网喷联合支护方式在超大断面破碎围岩隧道进行了CRD和双侧壁导洞两种开挖方法下的现场试验,拱顶沉降分别稳定在27.2 mm和18.7 mm,很好地控制了围岩变形、保证了现场初期支护安全。     

采动诱导下水系发育岩层的变形破坏机制研究

针对水系发育的铝土矿床及岩层在开挖采动后的突水特征及围岩支护失效破坏特点,研究岩体裂隙演化扩张到宏观变形破坏机制,利用FLAC3D的流固耦合模型动态分析地渗流场对地下开挖工程的渗入途径及损坏过程,得到渗流场-应力场耦合下开挖途径。并针对性制定地下水防治控制对策,系统研究开发复杂破碎围岩条件下开挖巷道支护新方案,优化设计超前小导管注浆技术与喷锚网联合支护方案,并对比分析联合支护技术施工后开挖巷道围岩变形收敛量、围岩应力分布、破坏特征及支护效果。通过现场围岩变形和锚固系统受力状态监测工业试验,试验数据表明该联合支护方案在地下水发育的软弱破碎铝土矿床巷道掘进工程效果优良,可以为条件类似巷道支护选择提供参考。     

导流隧洞钢拱架与喷锚支护体系有限元分析

钢拱架支撑是地下洞室开挖中的重要支护型式之一,与喷锚支护措施相结合能够有效地控制围岩变形和减小围岩失稳机率.结合某水电站工程实际,针对不支护、喷锚支护、钢拱架与喷锚联合支护等不同情况,采用三维有限元法对导流洞开挖过程中围岩的位移、塑性区,喷层、锚杆及钢拱架的应力分布情况进行了计算分析.结果表明:与普通的喷锚支护相比,采用钢拱架与喷层、锚杆组成联合支护体系能够对围岩变形提供直接抗力,围岩位移和塑性区范围大大减小,各支护材料的应力也有较大程度的降低,为导流洞围岩破碎洞段施工期的稳定提供了有力的保证.     

茶镇隧道施工位移监测与分析

茶镇隧道围岩软弱破碎稳定性差,变形大.为及时掌握施工过程中围岩及支护结构的变形特性,保证施工安全,对围岩及支护结构进行了拱顶下沉和周边收敛位移量测.通过对K225+266横断面量测数据的综合分析,揭示了该条隧道在Ⅴ类围岩以及特定支护情况下位移变化的规律,得到了围岩位移稳定约需2～3周的开挖时间以及4～5倍开挖洞径的距离.为合理确定隧道二次衬砌的施工时间提供了较为可靠的依据,同时通过对量测信息的及时反馈,指导了现场施工,确保了施工安全.     

不同施工工法对断层隧道的力学响应分析

断层破碎带是隧道施工中常见的不良地质构造,在断层破碎带附近施工时常常会引发围岩失稳甚至塌方等问题。因此依托某高速公路隧道,利用FLAC3D建立三维分析模型,研究施工方法对隧道围岩稳定和支护结构的影响,计算结果表明：在3种施工工法下,断层破碎带位置围岩的拱顶沉降值和拱底隆起值显著大于围岩正常段的,同时初期支护结构在断层破碎带和围岩正常段交界处的受力最大。环形开挖预留核心土工法施工引起的拱顶沉降最大值为51.45 mm,拱底隆起最大值为121.25 mm,初期支护结构的主应力最大值为15.27 MPa,各项数据均优于其余两种工法的对应值,表明该工法对保持围岩稳定效果最佳。现场监测结果也表明断层破碎带附近的拱顶沉降值要大于围岩正常段的拱顶沉降值,在现场施工中要加强断层破碎带位置处的监测并做好安全措施。     

基于能量法的地下隧洞动静力稳定性分析

通过分析前人研究岩体单元变形破坏过程中能量演化的试验数据,表明岩体单元的可释放弹性能储能极限与岩体单元所受应力状态和岩性有关;基于岩体单元整体破坏失稳的定义,推导了不同应力状态下岩体单元的整体破坏失稳准则;基于热力学第二定律和最小能量原理,提出地下洞室动静力失稳判别准则;运用有限差分数值分析软件FLAC3D,以完建期有无地震动作用的某地下隧洞工程为例,分别进行有无支护工况下地下隧洞的动静力稳定性分析。研究表明:该地下隧洞在所有静力工况和地震工况3下只会发生应力型局部失稳,在地震工况1和2下极有可能发生应力型整体失稳。无支护工况、施加喷锚支护工况和施加喷锚与二衬支护工况下的地下隧洞受地震动作用后洞周发生整体破坏的岩体单元体积分别增加了1 553.15、1 091.79、223.07 m~3,可知施加衬砌支护后发生整体破坏的岩体单元体积的减少幅度大于施加喷锚支护后发生整体破坏的岩体单元体积的减少幅度,表明衬砌支护的抗震效果好于喷锚支护。本文提出的地下洞室动静力失稳判别准则可作为采用数值模拟手段研究地下洞室动静力稳定性的有效判据,研究成果能为地下洞室的设计和施工提供有益参考。     

喷锚支护措施对地下厂房洞室群整体稳定性影响

喷锚支护措施由于其诸多的优点,在地下工程中得到了广泛的应用。以隐式杆单元模拟锚杆,以壳单元模拟混凝土喷层,采用3维非线性有限元技术,分析冗各水电站地下厂房工程中喷锚支护措施的作用。通过计算得到了喷锚支护措施对围岩应力变形及塑性区的影响;利用强度折减法对地下厂房洞室群的整体稳定性进行计算分析,得到无支护措施情况和喷锚支护时洞室整体稳定性,从而评价支护措施对洞室群整体稳定性的影响。通过3维弹塑性有限元计算分析得到:喷锚支护措施可以有效地限制围岩的变形和塑性区的发展,可以在一定程度上改善围岩应力状态,避免应力集中,使洞室群整体稳定安全系数由1.8提高为2.5,有效提高了地下洞室的整体稳定性。     

含软弱夹层的某公路边坡开挖支护数值模拟分析

基于某含有软弱夹层的公路边坡工程,利用有限元软件对其开挖支护过程进行数值模拟分析,计算考虑了2种不同的开挖工况：1）只开挖不支护;2）开挖并及时支护。研究表明：在开挖未支护时,边坡开挖完成后安全系数小于1,边坡整体都发生很大位移,将沿着软弱夹层带发生破坏;在开挖并及时支护时,边坡位移明显减小,软弱夹层附近塑形变形区得到了有效控制,且开挖完成后安全系数为1．87,满足设计要求。     

深埋地下洞室群轴线方位合理布置的计算分析

给出了通过数值计算进行深埋地下洞室群轴线方位比选的方法.首先给出了基于三维非线性有限元的地下洞室开挖和支护计算方法.然后根据围岩弹性系数的分布规律,首次提出了用于轴线方位比选的开挖荷载释放系数确定方法.最后对某水电站地下洞室轴线方位的合理布置进行了计算分析.发现在洞室纵轴线与初始地应力的水平最大主应力矢量的交角较小时,适当增大交角并加强支护措施,围岩的破坏和变形可以得到限制,围岩稳定仍有保障,而进一步增大交角,围岩破坏和变形将明显增大,进一步提高支护强度对围岩稳定的改善非常有限,这为深埋地下洞室轴线方位的合理布置提供了参考.     

山岭隧道塌方处理加固措施及 FLAC3D模拟对比分析

由于在山岭隧道的修建过程中,经常出现塌方事故,结合工程具体情况,从围岩层状分布、雨水侵蚀作用等方面,分析了隧道拱顶出现塌方的原因以及所采用加固措施的有效性;并对塌方周边断面加固前后围岩位移和支护结构应力进行了监测.监测结果表明,隧道拱顶塌方处加固措施行之有效,围岩变形及结构应力得到了较好控制.再利用FLAC3D软件对隧道塌方段进行数值模拟分析,得到的结果与现场监测结果基本一致,这表明加固措施对塌方的处理效果良好.     

软弱破碎围岩隧道大变形施工力学行为及支护对策研究

围岩大变形是一种常见的、危害极大的施工地质灾害,为了减弱乃至消除此类灾害对工程的影响,首先,基于工程地质条件和地应力测试结果分析,揭示了典型地段软岩挤压大变形的成因;其次,采用有限差分程序研究了软岩段施工过程中围岩的受力和变形特征,分析了支护结构对围岩稳定性的影响,考虑支护有效抑制了围岩变形,将开挖造成围岩变形的影响范围由2倍洞径减至1倍洞径,较好地稳固了掌子面的挤压变形;最后,根据考虑支护的施工过程模拟结果分析,提出了该段软岩大变形控制措施及其变形过大造成侵限的具体处理对策,经开挖后监测数据验证,措施有效,确保了软弱破碎围岩隧道的顺利施工,对类似工程具有一定的借鉴意义。     

不同大变形等级下层理角度对层状软岩隧道的影响

为探究不同大变形等级下层理角度对层状软岩隧道的影响,依托九绵高速全线软岩大变形隧道,通过岩石力学试验确定遍布节理模型参数,基于数值模拟,探究不同软岩大变形等级（轻微、中等、强烈）下层理角度对层状软岩大变形隧道围岩及支护体系受力变形的影响,并通过现场统计的层理角度与大变形情况对数值模拟结果进行验证。结果表明：1）层理小角度（0°、15°）与大角度（90°）围岩变形、支护结构受力变形较大,随着大变形等级的增大,层理角度引起的围岩支护变化效果越明显。2）随着层理角度的增大,围岩变形从拱底逐渐转移到右拱腰。围岩变形主要发生在隧道轮廓与层理面相切位置,其中拱底及左拱脚对层理角度变化较敏感。3）初支应力偏向及节理塑性区大致与层理弱面法向一致,随着层理角度的增大,节理的剪切塑性区由拱顶、拱底转移到左拱脚、右拱肩,最终偏移到左右拱腰上下位置;相比初支压应力,初支拉应力对层理角度更敏感,垂直节理增大了张拉剪切破坏塑性区贯通的风险,但剪切破坏塑性区半径反而有可能减小。4）现场的统计规律表现为小角度与大角度大变形等级较高,层理角度为60°以下时,岩层破坏发生在拱腰及拱肩处,随着层理角度的增大,有向拱肩发展的...     

Numerical simulation of the effect of coupling support of bolt-mesh-anchor in deep tunnel

The mechanical effects of bolt-mesh-anchor coupling support in deep tunnels were studied by using a numerical method, based on deep tunnel coupling supporting techniques and non-linear deformation mechanical theory of rock mass at great depths. It is shown that the potential of a rigid bolt support can be efficiently activated through the coupling effect between a bolt-net support and the surrounding rock. It is found that the accumulated plastic energy in the surrounding rock can be sufficiently transformed by the coupling effect of a bolt-mesh-tray support. The strength of the surrounding rock mass can be mobilized to control the deformation of the surrounding rock by a pre-stress and time-space effect of the anchor support. The high stress transformation effect can be realized by the mechanical coupling effect of the bolt-mesh-anchor support, whereby the force of the support and deformation of the surrounding rock tends to become uniform, leading to a sustained stability of the tunnel.     

骑跨采动压巷道围岩稳定性数值模拟

针对巷道围岩遇水膨胀软化、岩石流变特性显著及长期受采动支撑压力作用的特点,应用FLAC数值软件分析骑跨采动压巷道在不同垂距及水平距离下巷道围岩的稳定性,并研究巷道围岩应力场、变形场及塑性区的变化特征.研究结果表明：巷道围岩变形表现为以底鼓变形最大,两帮变形次之,顶板变形量相对较小的特点;受支撑压力的影响,巷道围岩的应力、变形及塑性区分布呈现明显的不对称性;随着垂距及水平距离的增加,巷道围岩应力及变形呈现出不同程度的减小趋势.     

浅埋软岩段隧道进洞施工变形特征与失稳分析

为研究隧道开挖过程中浅埋软岩段塌方变形特征,对隧道地质情况进行有效辨识,结合隧道施工过程围岩监测数据,并依据地质雷达探测结果建立三维数值模型并进行数值分析。研究结果表明:在隧道开挖阶段,拱底与拱顶位置均出现明显塑性区,伴随掌子面逐渐靠近围岩破碎区域,塑性区范围逐渐扩大并向拱顶右上方及围岩内部转移,破碎区域应力水平较低且位移显著增大,围岩完整性大大降低;不良地质构造是隧道发生塌方大变形的主要原因,降雨和地表水的入渗劣化围岩力学性质加速了隧道灾害的发生。对于隧道五级围岩浅埋段施工,应加强监控量测分析并及时做出预警,对关键部位开展超前地质预报工作。研究结果可以指导隧道塌方灾害的防治,对于实现隧道信息化施工具有借鉴意义。     

地下水工隧洞围岩及钢筋混凝土岔管结构数值分析

随着高山峡谷地区大型水电工程的兴建,深埋地下水工隧洞的围岩稳定和内外水压力作用下衬砌应力变形等成为重点关注问题。从围岩开挖支护、围岩衬砌相互作用和钢筋混凝土有限元模拟等方面建立钢筋混凝土岔管段数值分析模型,以蒲石河抽水蓄能电站尾水岔管为例,分析了围岩的应力、变形问题以及混凝土岔管结构配筋和配筋后应力、裂缝开展等问题。围岩分析计算结果表明：在主、岔洞交叉处会产生拉应力,塑性区开展较深,同时主洞靠近岔洞侧和尾水支洞的两侧岩体塑性区也有较大的开展。岔管结构分析计算结果表明：正常运行工况在内水压力作用下岔管结构大部分区域存在拉应力,裂缝较大;检修工况在外水压力作用下仅在主、岔管交叉处存在拉应力区,裂缝较小。     

软岩巷道支护荷载的确定方法

通过分析巷道围岩与支护的相互作用原理 ,得出了软岩巷道失稳的原因是由于围岩自承力与支护力不足的结果 .认为一个优化的软岩巷道支护设计应在确保支护稳定的前提下 ,最大限度地释放围岩的能量 ,使以变形形式转化的工程力达到最大 ,同时最大限度地发挥围岩的自承能力 ,使工程支护力达到最小 ,而其关键是确定变形能释放时间和最佳支护时间 .软岩巷道开挖后 ,通常在巷道周围形成塑性软化区和塑性流动区 ,实施支护力就是要控制塑性流动区的范围与发展 ,达到最佳支护时间时的支护荷载为最小支护荷载 ,可以通过塑性软化区和塑性流动区内岩石的重力求得     

高地应力地区围岩劈裂破坏现场监测和能量耗散模型及应用

随着计算机的发展,数值模拟等技术在岩土领域的应用也越来越广泛。在进行埋深较大的地下洞室施工时,由于岩体的脆性特征,在高地应力作用下,洞室围岩容易出现劈裂破坏。因此,在深部岩体开挖过程中,对于围岩的劈裂破坏区域的预测格外重要。但是目前在现有的计算模型中,尚没有能够很好描述劈裂破坏特性的有限差分本构模型。本文从能量耗散原理出发,结合了横观各向同性模型,采用劈裂破坏准则对模型单元应力状态进行判断,利用FLACE3D的二次开发功能,在C++的编译环境下对模型进行如下改进,在原有模型中导入能量耗散理论和加卸载判据,得到新的自定义横观各向同性计算模型。该模型可以判断岩体所处的加卸载状态,并根据岩石状态使用不同的力学参数进行计算,并且还能够描述高地应力地区围岩产生竖向劈裂裂纹后,不同方向上围岩的不同力学性质。在此基础上对大岗山水电站大型地下洞室群开挖过程中的稳定性进行了计算。另一方面,在大岗山水电站大型地下洞室群开挖工程现场开展了洞周围岩劈裂破坏区的监测,采用钻孔电视、滑动测微计以及形变电阻率三种观测方法,测得了主厂房在进行各个开挖步开挖时,主厂房与主变室之间岩桥中围岩的位移以及劈裂破坏的情况。之后,将现场监测结果与不同本构模型的稳定性分析的计算结果进行对比。并得到以下结论：根据监测结果,大岗山水电站地下洞室群在进行开挖时,主厂房下游边墙围岩的劈裂区平均深度约为13~15m,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算所得主厂房下游边墙劈裂区平均深度约为13.6m,二者十分接近;主厂房洞室在进行开挖施工后,随着与临空面的距离增加,围岩内部关键点的位移逐渐减小,在靠近主变室边墙附近,由于又形成了新的劈裂破坏区,因此围岩关键点位移又逐渐增加,考虑能量耗散的横观各向同性模型可以较好的反应围岩位移变化趋势,与监测曲线吻合度较高,而使用摩尔库伦模型以及横观各向同性模型计算得到的曲线则与监测曲线有较大区别;根据稳定性分析结果,主厂房下游边墙吊车梁位置关键点和主厂房洞中关键点开挖后洞壁出现的位移较大,其最大水平位移为29.46mm。主厂房拱顶在开挖的初期位移较大,拱顶竖直位移最大值为10.58mm。主变室拱顶竖直位移为10.06mm。结果表明,对比其他现有的有限差分模型,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算结果与实际监测值最接近,可以反应不同开挖步时,围岩内部关键点位移的变化趋势。因此在高地应力地区地下洞室开挖时,可以使用该模型对洞周围岩的劈裂区进行计算与预测,以及在洞室开挖完成后对洞室围岩的稳定性进行分析,并参考计算结果对关键区域加强监测与管理,从而减小围岩劈裂破坏对洞室稳定性的影响。