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。     

穿越页岩段大变形隧道初期支护系统试验研究

为解决马嘴隧道穿越破碎薄层状页岩段时发生的大变形问题,进行了隧道初期支护系统试验研究。现场分别设置Ⅰ14,Ⅰ16钢拱架试验段,通过现场试验、数值分析、室内岩石力学试验综合分析,得出以下结论:马嘴隧道掌子面上半部页岩岩层薄、岩体破碎,裂隙水大,页岩浸水强度减小是拱顶部位发生大变形的内因;格栅架不能满足掌子面开挖后混凝土达到预期强度前的支护要求,Ⅰ14钢拱架支护效果稍优于格栅架,但不能控制围岩的持续变形,Ⅰ16钢拱架立架能提供较大的支护阻力,控制混凝土喷层达到设计强度前的围岩变形,保护混凝土喷层不受破坏,保证支护系统的完整性。现场实证,Ⅰ16钢拱架+系统锚杆+喷射混凝土+钢筋网+超前注浆导管+锁脚锚杆的支护系统能很好地解决马嘴隧道的大变形问题。     

高地应力深埋隧道断裂破碎带大变形控制方法现场试验研究

针对新莲隧道大埋深、高地应力、大变形凸显的实际情况,开展单层支护、双层支护、刚性强支、超前导洞+扩挖方案下支护受力及变形控制方法现场试验研究。结果表明:①原设计方案1支护偏弱不足以抵抗围岩形变压力,平导支护应力超过设计应力值率达100%,正洞支护侵限严重,换拱率100%;②"让抗结合"的双层支护方案2,下台阶与仰拱同步施作,不利于下部围岩应力释放,仰拱隆起开裂,边墙换拱率84%;变更下台阶与仰拱分段施作后,仰拱应力缓慢释放,大变形得以控制;③采用"刚性强支"理念的方案3,增设了"H175型钢+大拱脚靴套+锁脚锚杆套管",提升了拱架整体刚度,最大收敛变形速率减小42.4%、月开挖进尺达90 m;④采取"超前导洞+扩挖"的方案4,实现了应力分阶段缓释,大变形得到有效控制,但纤维混凝土的应用及超前导洞支护的拆除增加了成本和工序。建议跨断裂破碎带段采用经济合理、工序简便、支护调整灵活的方案3进行施工,方案4可作为更大围岩变形的预备方案。同时拱顶预留变形量可近似按边墙预留变形量的1/2留设。     

预应力锚杆在隧洞软岩变形段处理中的应用与施工

锦屏引水隧洞是锦屏二级水电站的主体工程,该隧洞在施工过程中揭露出绿泥石片岩软岩洞段,此洞段在高地应力及围岩自身破碎作用下在开挖支护后产生大变形,在对变形洞段处理时除了施工钢拱架、普通水泥砂浆锚杆和喷射混凝土常规支护手段外,还增加了预应力锚杆、锚筋桩及预应力锚索加固支护,增强了变形洞段支护能力,保证洞稳定安全及工程质量,文章主要浅述预应力锚杆在此工程施工中的运用。     

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。     

软弱破碎围岩隧道钢拱架与围岩受力特征分析

依托某软弱破碎围岩隧道,采用压力盒和钢筋计对围岩压力、钢拱架内力进行了现场测试。数据分析表明软弱破碎围岩应力释放具有明显的瞬时性和流变性;喷射混凝土拱顶和拱脚应力较大,存在开裂脱落现象;钢拱架承载力发挥较早,材料性能利用有限。建议软弱破碎围岩隧道在设计阶段应考虑长期流变荷载,适当提高支护参数。施工阶段应加强拱顶和拱脚处拱架连接、喷射混凝土施工和锁脚锚杆施工质量。     

考虑松动效应的高地应力构造破碎带隧道稳定性分析及大变形支护设计优化

隧道穿越高地应力深埋软岩地层时,开挖卸荷扰动会引发围岩产生严重的挤压变形和松动破坏,导致支护结构出现大变形。以玉磨铁路万和隧道穿越高地应力花岗岩构造破碎带为工程依托,首先基于经典Kastner公式和Caquot公式确定考虑松动效应的高地应力构造破碎带围岩特征曲线;然后基于收敛约束理论分析围岩与支护结构的稳定性,明确考虑围岩松动效应和控制支护让压程度的必要性;最后通过多工况比选确定第二层增设钢拱架的支护时机和支护参数。研究结果表明:高地应力环境下,前期作用于支护结构的围岩压力以形变压力为主。随着应力的释放,断面变形达0.8 m时的松动压力占比已超过30%,此时考虑松动效应的围岩对支护结构产生1.094 MPa的围岩压力,不考虑松动效应的围岩压力仅为0.765MPa。因此在进行隧道稳定性分析及支护设计时,不能忽视围岩松动效应的影响;在第一层初期支护让压至一定程度后应及时增设第二层钢拱架抵抗围岩变形。以断面变形达到0.45 m时设置第二层钢拱架作为最优支护时机,以间距为0.6 m的I22b型钢拱架作为最佳支护参数,现场监测数据表明该大变形支护方案取得了良好的控制效果。研究成果能准确反映高地应力构造破碎带隧道大变形灾变过程,对类似工程的支护设计优化有明确的指导意义。     

大断面软弱地层隧道施工围岩变形试验及预测

针对大断面碳化泥质板岩隧道在施工过程中极易发生塌方、拱架扭曲变形以及频繁换拱的特点,在小盘岭隧道进出口段选择多个监测断面作为试验段进行现场试验研究。分别对净空收敛变形、拱顶下沉、围岩压力、锚杆轴力、喷射混凝土应变、钢拱架支撑应力、二次衬砌混凝土应变、二次衬砌背部围岩压力进行测试。研究结果表明,隧道持续变形一般到48 d才能稳定,并且累计变形量很大,拱顶沉降最大能达到334 mm,累计收敛值最大能到318 mm。在控制围岩变形方面,对支护参数的监测发现:采取0.5 m的开挖步距,采取I20钢支撑,以及采取隧道衬砌背后的径向注浆,能有效的降低围岩变形及衬砌结构的受力。同时利用BP神经网络方法,能够比较准确的预测隧道围岩在施工过程中的拱顶沉降及围岩收敛,对隧道的开挖具有较大的指导作用。     

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。     

林家溪隧道支护施工工艺研究

针对林家溪隧道的工程概况及其地质情况，选取其支护方案，其支护方案为：采用注浆锚杆、钢筋网、工字钢钢拱架和喷射混凝土进行遂道围岩支护，并对支护以后的隧道围岩进行监测，以达到维护围岩稳定性的目的。     

黄土隧道锚杆受力与作用机制

 为探讨黄土隧道锚杆作用效果及机制,对陕西省吴堡-子洲高速公路上3座黄土隧道中的48根锚杆应力进行现场测试和统计分析,结果发现：黄土隧道在钢架支护条件下,拱部系统锚杆受压且应力值较小;拱脚处锁脚锚杆以受拉为主,锁脚锚杆应力普遍大于拱部锚杆应力。从土体的变形和锚杆与土体的锚固效果2方面分析黄土隧道拱部系统锚杆的力学状态,分析认为隧道开挖后,浅埋黄土隧道拱部发生整体沉降,锚杆并不存在锚固段;深埋黄土隧道开挖后土体产生较大塑性区,目前以“短而密”原则设计的系统锚杆也不存在锚固段;锚杆与土体采用水泥砂浆或药卷式锚固剂黏结效果差,因而黄土隧道锚杆锚固力不大;锚杆锚固于初期支护上,并伸入土体中,从内部约束土体变形,在初期支护施作后,相对于土体的后续变形,拱部系统锚杆受到土体向下的摩阻力,相当于桩承受负摩阻力,因而拱部系统锚杆受压。综合以上分析表明,在黄土隧道中,钢架支护条件下的系统锚杆支护效果不明显,可以取消。工程实践证明,钢架支护条件下黄土隧道取消系统锚杆,可减少施工环节,更有利于隧道施工安全和结构稳定,可缩短工期和降低工程造价,有着特别显著的社会经济效益。     

基于复合岩体法的锚杆支护隧道收敛修正分析

基于复合岩体方法考虑锚杆与围岩的相互作用,在引入加锚效应不均匀性基础上,根据对围岩变形约束程度修正复合岩体等效计算刚度,获得了锚杆支护作用下圆形隧道收敛变形的修正解。对比既有解及数值结果验证了本文解的正确性,修正解合理地降低了既有计算方法对锚杆约束效果的过高估计。结果表明:锚杆通过提高复合围岩等效刚度降低隧道收敛变形;增加锚杆密度比增加锚杆长度对降低隧道收敛更为有效;在常规锚杆布置参数条件下,锚杆支护对隧道最终收敛的降低幅度不会超过20%,难以完全依靠系统锚杆来限制软岩隧道的收敛大变形。本文提出的修正解能合理反映锚杆对围岩收敛变形的约束作用,可为锚杆支护下隧道收敛变形的量化分析提供简洁准确的计算方法。     

大断面深埋黄土隧道锚杆作用效果的试验研究

 黄土隧道系统锚杆的作用效果问题一直是争论的焦点,依托正在修建的郑州—西安铁路客运专线大断面黄土隧道工程,采用现场对比试验方法对深埋黄土隧道系统锚杆的作用效果问题进行研究。为了使试验结果有可比性,选取试验条件基本相同的函谷关隧道洞身段作为试验段,分别设置有系统锚杆段45 m和无系统锚杆段45 m进行对比试验。对比试验的测试项目有：拱顶沉降、拱脚沉降、水平收敛、围岩压力、初支钢架应力及锚杆轴力等。试验结果表明：有系统锚杆段与无系统锚杆段的拱顶沉降和水平收敛基本相等;两者的土压力和钢架应力相差不大;锚杆轴力较小,且拱部锚杆受压,边墙锚杆受拉。综合分析后认为,拱部系统锚杆作用效果不明显,取消拱部系统锚杆可减少施工工序,加快开挖面的封闭和全断面初期支护的及早闭合,从而能更好地控制支护结构变形,并节约工程投资。     

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。     

碳化泥质板岩大断面隧道围岩松动圈测试研究

围岩松动圈范围是隧道、巷道及类似地下工程设计、施工和评价围岩稳定性的重要技术参数之一。针对吉图珲高速铁路小盘岭大断面碳化泥质板岩隧道在掘进过程中发生的地层变形大、频繁更换钢拱架以及隧道局部多次发生垮塌这一严重现象,采取多点位移计监测及超声波检测技术,对小盘岭隧道围岩松动圈范围进行测试。在此基础上,通过改变围岩壁后注浆深度,对比分析控制效果。现场测试表明,小盘岭隧道围岩松动范围大,平均达到约5 m,隧道开挖右侧松动圈范围大于左侧松动圈范围,原支护方案中锚杆长度仅为4.0 m,径向注浆管长度为3 m,初步判断施工步距大以及锚杆长度过短是造成隧道围岩失稳的重要因素。在后续的施工过程中,采取右侧及拱顶锚杆长度为6.5 m,左侧锚杆长度为6 m,围岩径向注浆管长度增加到5 m,经过优化后的锚杆长度参数明显改善了围岩的支护效果,监测表明隧道拱顶沉降及围岩收敛速率明显减小,拱架受力明显降低,降低了隧道施工风险,并为类似工程的设计及施工提供参考。     

西柏坡公路上东峪隧道施工技术

以隧道施工经验和岩体力学的理论为指导原则,介绍了锚杆、格栅钢架和喷射混凝土组合的支护技术,以及微差光面爆破的掘进技术,通过监测控制围岩变形,充分发挥和保护了围岩的自承能力,总结了隧道施工必须注意的事项,从而确保隧道施工安全顺利进行。     

软弱围岩长距离大坡度斜井快速施工管理

乌鞘岭特长隧道9#斜井处在F6和F7活断层之间,千枚岩挤压揉皱,水浸呈泥状;岩体受全隧道最大的F7断层影响严重,节理、裂隙很发育,围岩呈散体状,整体稳定性差,属深埋软岩,中等富水,存在较大的坍塌、淹井风险。根据乌鞘岭隧道长距离大坡度9#斜井施工实践,在Ⅴ、Ⅵ级围岩地质和富水的施工环境下,摸索出一套高效施工组织管理措施、精湛的技术服务和强有力的机械设备配置的施工管理体系,进而总结出一整套适于软弱围岩条件下长大斜井快速施工管理经验。     

锚杆与围岩共同作用的围岩特性曲线修正分析

基于收敛约束法原理,推导了考虑锚杆与围岩共同作用的圆形隧道围岩特性曲线弹性响应函数。并与数值模拟方法获得的不同锚杆布置情况下的围岩特性曲线进行比较,验证了解析方法的合理性。考虑锚杆支护与围岩共同作用后的围岩收敛特性曲线与原始围岩有较大区别,并与原始围岩刚度以及锚杆布置密度密切相关。根据解析结果与数值计算结果的进一步对比分析,对推导的解析函数进行了修正。修正后的解析公式,能反映锚杆布置密度对围岩特性曲线的影响。特别对于软岩隧道(V级围岩),在不同锚杆支护密度范围内,等效围岩刚度能够大致提高15%~35%,考虑锚杆与围岩共同作用对围岩刚度的影响不可忽略。本文提出的修正收敛特征曲线对指导隧道设计施工有一定的理论与工程意义。     

千枚岩隧道传统与新型支护结构现场对比试验研究

 以在建穿越5•12汶川强震区成都至兰州高速铁路站前试验段某隧道大变形极高风险段为工程依托,运用现场试验与数值模拟手段,针对传统的型钢拱架和新型自主研发的钢格栅混凝土核心筒支护结构体系,分别对围岩收敛变形、围岩深部位移、围岩与初支接触压力、拱架内力、锚杆轴力、初支与二衬接触压力以及二衬轴向应变变化特征与规律进行研究。结果表明钢格栅混凝土核心筒支护结构体系可有效控制强震区软弱破碎围岩隧道大变形,结构体系变形及受力合理,可为类似工程建设提供借鉴。