引水隧洞复合支护钢拱架变形特性及围岩稳定性研究

为研究复合支护中钢拱架变形特性和力学机制,优化支护参数,保证引水洞室的稳定性,在对支护结构进行力学分析的基础上,采用数值计算方法对山西引水工程中施工支洞进行了仿真模拟。基于复合支护力学作用机制的研究,分析钢拱架在初期支护中的应力及变形特性,并结合工程实例研究复合支护中钢拱架、钢筋网以及喷层所分担的围岩压力比例。数值计算表明:与普通的喷锚支护相比,有钢拱架的复合支护体系能够对围岩变形提供直接支护力,使围岩初期变形和塑性区范围大大减小,有利于围岩承载拱的形成并发挥其自身承载能力,同时其他各支护材料的变形和应力也有较大程度的降低,是洞室破碎围岩支护的有效手段之一。研究成果为山西省中部引黄工程引水洞支护设计提供了理论依据,对同类工程也具有借鉴和指导意义。     

软岩隧道初支拱架S形变形原因分析及对策

围绕云桂铁路软弱隧道的初支"S"形变形,通过力学、支护、监测与数值模拟对比分析,研究了隧道初期支护中钢拱架"S"形变形的原因,得出围岩应力分布不同时,必然会导致不均匀变形来释放应力,钢拱架连接钢板以上50 cm~150 cm范围内,钢架刚度不足会呈现"S"形变形的结论。     

高应力软岩巷道支护失效机制及控制研究

 为明确高应力软岩巷道支护失效机制并验证新型支护形式的有效性,以赵楼煤矿千米深井为工程背景,在围岩变形破坏及支护失效规律现场探测、监测分析基础上,采用数值计算方法,通过对FLAC3D中BEAM单元的修正处理实现了拱架支护体系的精细化模拟,讨论了支护强度等级(拱架形式)、地应力等级、围岩强度等级三个因素对巷道围岩变形量、塑性区范围、支护构件受力状态等的影响规律。在此基础上分析了高应力软岩巷道支护失效机制。对于高应力软岩巷道来说,锚网喷支护具有明显的局限性;具有一定刚度和强度的拱架是一种行之有效的围岩控制途径,是必要的。采用方形钢管约束混凝土拱架支护体系进行现场试验,新型高强拱架支护方式使得巷道围岩稳定性得到有效控制。     

软弱破碎围岩隧道锚喷钢架联合支护的复合拱理论及应用研究

初期支护以锚杆、喷层、钢筋网与钢拱架联合支护的方式在软弱围岩和不良地质的隧道建设中已经得到广泛运用,但目前对于这种联合支护的力学承载机制缺乏深入研究,特别是对于联合支护的承载能力及与围岩相互作用没有量化的解析式。根据围岩与支护相互作用特点,运用组合拱理论,针对隧道围岩中锚喷网和钢架联合支护的特点,建立由以系统锚杆为支护外拱和喷层与钢架的支护内层拱所共同构成的复合拱的力学模型;根据隧道围岩的弹塑性理论、衬砌的支护结构理论以及全长锚杆的锚固界面层模型,推求联合支护结构的承载力与围岩变形的相关解析式;并结合云南省麻昭高速公路打堡寨2#隧道,利用现场监测位移求解了内、外层拱各自承载能力,经由计算结果表明,以钢架和喷层组成的内层支护拱在软弱破碎围岩中起主要承载作用。     

钢拱架应力反分析隧道初期支护力学性能的研究

适时分析软弱破碎围岩段衬砌结构的内力状态是隧道动态施工中的关键性问题之一,对判断隧道施工安全状态和评价支护结构稳定性具有重要意义。考虑钢拱架已作为软弱围岩段公路隧道初期支护的重要形式,现通过分析隧道施工现场钢拱架支护的自身特点和受力特性,建立含有钢拱架和喷射混凝土的隧道复合初期支护的地基曲梁力学模型。然后运用地基曲梁相关理论,通过现场监测的钢拱架应力推求出隧道复合初期支护内力解析式,从而迅速得到隧道支护结构的应力集中部位。最后,经由台阶法施工的隧道工程实例运用表明,基于实测钢拱架应力求解隧道初期支护内力的解析研究是分析软弱破碎围岩段隧道支护力学性能的一种新方式,并能及时有效地为隧道现场施工安全提供直观、可靠的力学依据和技术支持。     

隧道围岩-喷射混凝土界面应力解析

根据喷射混凝土支护隧道围岩的界面力学特点,考虑喷层与围岩结合界面受力和变形协调关系,并结合围岩承载拱效应,建立了围岩喷层结构的复合曲梁共同承载模型,然后通过各微单元静力平衡推导复合曲梁的径向位移的控制微分方程,得到任意分布荷载作用下喷层与围岩界面应力以及喷层与围岩各自内力的解析式,可迅速获取喷层与围岩结合界面的力学状况,进而判断围岩稳定性与预测安全性,为隧道施工决策提供技术支撑。最后经隧道台阶法开挖的算例研究表明,喷层支护通过其与围岩的结合界面上传递应力使围岩内部形成压应力带,有利于围岩的稳定。     

深部高侧压巷道围岩失稳机理及控制对策

针对金川矿山958中段出现的巷道破坏现象,运用理论分析、力学推导、数值计算、工程试验等方法,模拟不同侧压下巷道围岩变形过程,揭示围岩失稳机制及支护失效机理,探究高侧压巷道稳定控制对策,提出“拱梁联合支护”方案,完善锚固作用下“围岩承压拱”计算模式,构建“底板—桁架梁”力学模型,并通过解析微分控制方程进行支护参数反演。调查研究表明,巷道顶底板变形比重与侧压系数?呈非线性正相关,围岩受力状态及位移形变随?变化;高水平构造应力、骤变部位集中应力是低相对强度围岩失稳和高关联度支护体失效的主要诱因;兼顾局部和整体强度关系、改善不良应力状态、增强围岩承载能力为高侧压巷道稳定性控制的关键;锚杆应力维体与围岩相互作用形成承压拱可分消应力作用;底板桁架梁横撑底脚,减弱两帮向内收敛挤压趋势。监测结果显示,巷道变形速率减缓和变形幅度降低,整体稳定得到控制。     

高地应力大变形隧道支护系统的试验研究

乌鞘岭隧道穿越由多条断层组成的挤压构造带,存在较高的地应力,而且,岭脊段穿越的板岩夹千枚岩地层,围岩破碎,强度极低,施工初期出现了罕见的初期支护大变形,喷射混凝土严重开裂、破损,型钢钢架扭曲变形,部分出现折断,严重影响了施工安全与工程进度。为解决高地应力、大变形隧道工程的稳定控制技术难题,在工程现场设置了4种不同的支护参数工程试验段,实施了隧道表面位移与结构内力监测,以围岩与支护结构变形为主要评价指标进行了对比分析,研究结果表明:1)隧道拱脚与拱腰处局部大变形和偏压作用是隧道初期支护结构的扭曲与破坏的主要原因;2)柔性预应力锚索可取代临时横向支撑,初期支护H175钢拱架优于常用的I20钢拱架;3)以H175钢拱架+柔性预应力锚索+钢纤维喷射混凝土为结构组成的初期支护系统,能够较好地控制乌鞘岭隧道高地应力软弱围岩大变形。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

大梁隧道软岩大变形及其支护方案研究

针对大梁隧道工程地质特点,开展隧洞开挖后围岩大变形现场监测与分析,得知隧洞变形具有变形速度快、持续时间长和变形量大的特点,最大下沉量可达55 cm,最大变形速率为1.69 cm/d。通过开展岩石试样单轴、三轴压缩破坏试验,采用广义Hoek-Brown准则,确定岩体常规弹塑性力学参数;结合隧洞变形监测数据,将隧洞围岩视为具有弹塑性流变行为的连续介质,采用经验流变模型,开展有限元反演分析,得到岩体流变力学参数。根据数值仿真结果,分析隧道围岩位移、应力及损伤区分布规律,从而为支护方案修改设计和参数调整提供依据。在上述研究基础上,应用新奥法施工力学原理,提出加大预留变形量,拱顶超前注浆加固围岩,打拱脚长锚杆控制拱架整体下沉,并采用钢拱架(拱架之间采用型钢连接)+锚杆+钢筋网协同支护,构成软岩大变形洞段联合支护方案,成功解决了大梁隧道破碎、软弱围岩地段的施工与支护难题,经施工后巷道稳定性良好。     

高地应力千枚岩隧道支护体系试验研究

成兰铁路茂县隧道穿越龙门山活动断裂带,地层以千枚岩为主,围岩破碎、软弱、强度低,且存在高地应力。在茂县隧道1号斜井施工过程中,遇到了围岩大变形、喷射混凝土开裂、钢拱架扭曲等现象。为了解决这一技术难题,在施工现场将斜井按正洞施作,设置4种不同的支护体系试验段,并对围岩变形、围岩与初支接触压力、钢拱架应力进行监测分析,得出以下结论:I20工字钢刚度低,不能有效地抵抗围岩前期变形,使围岩的变形进入塑性流动阶段;H175型钢刚度大,与3 m长短锚杆相结合能主动控制围岩的变形,能有效地控制围岩前期变形,8 m长的锚杆能被动控制围岩变形,能有效地抑制围岩塑性区的扩大;以H175钢拱架+3 m锚杆+8 m锚杆+喷射混凝土+超前注浆小导管为主的初期支护体系对茂县隧道高地应力千枚岩大变形的控制有较好的效果,可为后期茂县隧道正洞的施作提供指导。     

早强锚杆在高地应力层状软岩隧道中的应用研究

以在建的成都-兰州铁路杨家坪隧道为工程依托,选取条件基本相同的30m典型围岩区段为试验段,对普通锚杆、早强锚杆支护时的洞周位移、围岩与初支接触压力、型钢拱架应力及其锚杆轴力进行实测对比分析,探讨了早强锚杆在高地应力陡倾层状软岩隧道中的作用机制。结果表明：高应力软岩隧道中锚杆轴力为拉力,早强锚杆比普通锚杆轴力更大,可以使隧道洞周位移减小40%|早强锚杆使隧道边墙围岩压力和钢架拱顶应力减小,围岩压力分布和钢架受力趋于均匀|早强锚杆通过注浆材料深入围岩,可以提高围岩层面强度|及时发挥锚固作用,抑制了围岩渐进破坏过程,从而减小围岩塑性区|加长了锚杆的拉拔长度,减小围岩与初支接触压力,改善隧道支护的受力状况,有效地控制隧道变形。     

喷锚支护在公路隧道复合式衬砌施工中的应用

以陕西秦岭公路隧道复合式衬砌中喷锚支护实际施工为例,对喷锚支护在不同围岩中的作用及施工工艺进行了探讨,针对隧道施工具体情况,选择合理的支护技术,以达到支护性能和经济效益的最佳组合。     

成兰铁路千枚岩隧道初期支护形式试验研究

在高地应力软岩地层中开挖隧道,易发生大变形,合理地选用初期支护的钢架形式,对软岩大变形的控制是非常重要的。本文依托成兰铁路-茂县隧道,通过现场试验和数值计算研究挤压性软岩大变形隧道的初支钢架选型,主要得出以下结论：（1）高地应力软岩隧道不宜选用强度较弱的钢架作为第一层支护,第一层支护应能保证支护封闭时的合理洞形|（2）挤压性大变形隧道宜采用多层、多次的支护方法,适当释放围岩应力,保证隧道的长期稳定|（3）大变形隧道多采用分部工法开挖,易导致支护结构受力不均,应提早支护封闭时机,改善结构受力。     

Investigation of mechanical performance of prestressed steel arch in tunnel

In the traditional tunneling method, the steel arch are often adopted to support surrounding rock to ensure the structural stability. If the steel arch is prestressed in time, tunnel support can effectively prevent the development of rock crack, thereby increasing the overall strength of tunnel support and suppress the deformation of the surrounding rock. Based on the mechanical model of steel arch established in this paper, the stress distribution of steel arch is investigated via the numerical simulation method, and the impact on surrounding rock is also analyzed. Through a field test, the rules of the arch strain distribution are observed and discussed. The results show that the prestressed steel arch structure can provide effective support and the stress gradually decreases from stress point to another arch springing. Furthermore, the stress distribution applied by the prestressed steel arch on the surrounding rock is uniform in a certain extent, and it is suggested that this construction method utilizing the prestressed steel arch to squeeze surrounding rock is feasible from a theoretical view.     

某水工隧洞围岩稳定及支护结构分析

隧洞的围岩稳定及支护结构安全是保证隧洞安全、实现隧洞功能的关键因素。由围岩加固圈承担主要的外水压力是优化支护结构设计、保证围岩稳定的一种有效方法。建立肯斯瓦特导流泄洪洞三维有限元模型,并进行非线性有限元分析。分析结果表明,设计的支护措施能明显减少围岩变形、改善应力分布,为类似工程设计提供参考。     

高地应力条件下地下厂房洞室群围岩的变形破坏特征及对策研究

 依据官地水电站大型地下厂房洞室群地应力高、围岩坚硬、结构面发育等特点,在地应力特征、围岩结构特征分析的基础上,结合围岩变形监测成果和三维数值仿真分析成果,对洞室围岩变形破坏特征进行归纳总结,并系统提出高地应力条件下地下厂房洞室群的布置设计、开挖支护设计和施工对策。建议高地应力条件下,洞室纵轴线的选择应兼顾最大主应力方位和围岩主要结构面、采用较大的洞室间距和较大的顶拱矢跨比、采用合理的开挖方式和开挖顺序、适当提高喷混凝土强度等级、延时浇筑岩壁吊车梁和母线洞衬砌、合理确定锚索张拉力锁定值,对具备岩爆条件的洞室围岩先初喷50～60 mm厚的钢纤维混凝土后再实施系统锚杆和挂网喷混凝土层到设计厚度等。上述建议对于高地应力条件下类似地下厂房洞室群的设计与施工具有重要的指导意义和应用价值。