高地应力软岩隧道超前导洞扩挖施工过程受力变形分析

超前导洞法是开挖隧道前在所在断面提前施作小导洞从而释放应力的一种方法。本文研究导洞完成后圆孔扩挖过程中隧道内各层支护的受力变形。以兰渝铁路木寨岭隧道岭脊段为研究对象,从实际工程布设测点获取数据,进行超前导洞应力释放效果分析、圆形扩挖施工各层变形分析、圆形扩挖先后行隧道施工相互影响分析,以及长锚杆和锚索受力变形分析。结果表明,超前导洞法对围岩应力和变形速率有一定控制作用;三层支护仍不足以长期控制变形发展,“三层初支+径向注浆+长锚杆+长锚索”支护系统施作完成后,满足设计施作第四层钢筋混凝土衬砌条件;木寨岭岭脊段在相同施工及支护参数条件下,施工的先后对变形的影响很小,地质条件是影响变形的主因;长锚杆形成系统承载后,整体受力明显减小,而锚索张拉后,短期锚固效果不明显。     

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。     

坚硬围岩初期支护合理时机研究

针对某水电站业已完成的地下厂房第一期开挖开展坚硬围岩初期支护的合理时机研究。首先,根据地下厂房围岩变形监测资料,研究分析了围岩位移变化率的时间效应及坚硬围岩的应力释放特征;其次,借助二维有限元分析软件Phase2,通过指定不同的应力释放系数来模拟不同的洞室支护时机,计算结果表明在不同应力释放阶段,围岩自承载能力和围岩变形均表现出阶段性发展的趋势;随支护时机推迟,支护应力减小,围岩塑性区和开挖变形量增大;同时考虑坚硬围岩应力释放的时间效应,研究围岩变形特征曲线,为初期锚喷支护的设置时机提供了可以测量、控制的研究手段。最后,综合不同支护时机下的支护抗力和围岩应力、变形分析表明:针对该水电站地下厂房坚硬围岩,应力释放达约60～70%或开挖通过施工断面15d左右是一个较为有利的支护时机。计算结果符合地下工程施工过程的一般规律,对于该水电站地下厂房正在进行的开挖支护活动具有很好的参考价值。     

挤压破碎带极高地应力隧道建造技术研究

兰渝铁路控制工程木寨岭隧道是极高地应力软岩大变形隧道,隧道主要穿越断层挤压破碎带,破碎带及其附近影响区域围岩极破碎、自稳性极差,且围岩呈极发育,受高地应力的影响,围岩极不稳定,挤压大变形明显,变形大、变形快、地质流变性强、极易发生坍塌。为解决木寨岭隧道挤压破碎带极高地应力软岩大变形施工难题,开展了应力释放、支护措施攻关等工作,主动控制高地应力软岩大变形问题,加强支护措施、优化结构轮廓、尽量保护围岩,最终采用"小导洞应力释放+3层初期支护+长锚索+单层二次衬砌、圆形断面结构"达到隧道贯通,有效控制了隧道大变形问题。     

大断面黄土隧道初期支护变形控制技术

结合某隧道工程实例,提出三台阶大拱脚临时仰拱法和设置围岩应力释放装置两种方法,根据现场试验结果对比分析两种方法的初期支护变形控制效果。结果表明,两种方法均能够控制初期支护变形,但从综合应用效果来看,设置围岩应力释放装置更为可行,其优势在于充分发挥出隧址区围岩的自承能力,与初期支护结构共同作用,提升支护效果,且机械化程度高,施工成本低,施工速度快,取得了良好的应用效果。     

官地地下尾水岔洞开挖与衬砌稳定研究

水利工程中地下大跨度尾水岔洞往往在结合交叉处形成复杂的三维空间结构,该部位受力性质复杂,位移较大,应力集中,一般需对其进行精细的三维数值模拟,分析开挖与衬砌结构的稳定性。文章利用FLAC3D,计算分析了官地水电站尾水岔洞围岩在开挖情况下的变形、应力及屈服区,对不同应力释放荷载条件下的喷锚支护效果及机理进行了分析评价;在此基础上根据运行和检修工况下的荷载作用情况,计算分析了衬砌结构应力,以及围岩锚杆的受力状态。指出控制作用工况,提出了保持岔洞稳定的措施和对策。计算分析表明:围岩开挖变形量较大,顶拱最大下沉约23 mm,边墙应力释放明显,最大拉应力约3.8 MPa,衬砌最大拉应力在2.0-2.6 MPa之间,岔角处岩体塑性区局部贯通,设计喷锚支护措施处于正常承载状态,支护措施能够满足围岩稳定性要求。计算分析得出的结论已用于指导工程设计,同时也可供其他同类工程的设计和施工参考。     

分岔隧道的围岩应力及变形数值分析

利用ABAQUS有限元程序,建立数值模型,模拟了分岔隧道不同洞段的开挖过程,分析了围岩变形与应力分布特点。基于数值分析,提出了针对不同洞段的支护形式。工程实例证明：这种支护形式有效地改善了围岩的应力分布,控制了围岩的变形。     

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。     

岩体隧洞开挖施工扰动以及支护变形控制研究

将地应力释放的等效节点力作为外荷载加载在开挖边界上，利用有限元软件Marc分别计算了软弱岩体和中硬岩体隧洞开挖在锚杆支护前后的位移和应力情况，通过对加锚前后岩体进行位移与应力分析，研究分析了锚杆加固对岩体隧洞开挖变形控制的影响。在锚杆加固作用下，径向位移明显减小并向远离洞壁方向移动，靠近洞壁的地方位移明显减小，可以认为锚杆支护的主要作用之一是控制围岩的变形和发展；锚杆对软岩的变形控制效果更明显一些。     

考虑应力路径的深埋隧道黏弹–塑性围岩与支护相互作用

黏弹–塑性岩体中,隧道的支护反力会随时间增加,致使塑性区内已屈服围岩的应力状态从屈服面上回到屈服面以内。因此,研究隧道围岩与支护结构相互作用的长期力学特性时须先弄清其应力路径。考虑应力路径影响,基于广义Kelvin流变模型和Mohr-Coulomb强度准则,给出深埋隧道黏弹–塑性围岩与支护相互作用的应力、应变及位移的简化计算方法。将高地应力软岩隧道的各种"抗让结合"支护技术归纳为"先让后抗"、"边让边抗"、"先控再让后抗"3类,分别分析3类支护措施对围岩应力路径的影响,并对比研究不同支护措施下隧道黏弹–塑性围岩的变形及支护反力。结果表明,考虑应力路径后计算得到的围岩位移更大。在相同的位移释放量、相同的衬砌支护刚度条件下,采用"先让后抗"的措施,围岩初期变形速率非常大,施加永久支护后,后期增长的支护反力也最大。在高地应力、变形严重的条件(例如初始地应力超过20 MPa)下采用"先控再让后抗"措施是最合适的。隧道开挖后立即施作长锚杆主动支护围岩,不仅可以控制围岩在第一阶段的变形速率,提高第一阶段围岩的稳定性,还可以大幅降低第二阶段永久衬砌的支护力,提高第二阶段衬砌结构的稳定性。在地应力不高、变形不严重的条件下(例如初始地应力低于10 MPa)采用"先让后抗"的措施就可以较好地控制围岩变形,不必采用"先控再让后抗"措施。而"边让边抗"措施适用于2种情况之间(例如初始地应力为10～20 MPa)。此外,黏滞系数较小(较软弱)的围岩开挖后变形速率较大,例如当黏滞系数η分别取2×10~9和1×10~(10) Pa·d时,采用"先控再让后抗"措施后围岩初期变形速率分别为17.6和3.5cm/d。因此,黏滞系数较小(较软弱)的围岩在开挖后必须立即施加较大的支护反力以控制围岩变形速率。     

导硐法施工中导硐位置及尺寸的优化研究

随着硐室埋深加大、围岩破碎、裂隙发育等因素的出现,岩石呈现明显的软岩特性,并由此产生了大变形、大地压、难支护等一系列工程问题。近几年逐渐采用导硐施工技术来解决这些问题,根据导硐施工法的原则:让硐室掘出后在原岩应力作用下充分产生流动变形、塑性变形,释放部分地应力,并利用围岩自身的承载能力,使地应力重新分布达到新的应力平衡状态,使地压力得到有效释放与控制。在导硐法施工中,如何优化导硐位置及尺寸是导硐施工技术的关键问题;建立不同导硐模型,通过Flac3D进行数值模拟,分析、比较导硐后硐室的塑性变形、位移和应力情况,得到一个最佳的导硐模型。     

高地应力软岩隧道中型钢与格栅支护适应性现场对比试验研究

结合正在修建的兰新铁路第二双线LXS-7标存在极高地应力的大梁隧道,系统开展型钢钢架与格栅钢架在高地应力软岩隧道支护中适应性的现场对比试验研究。现场设置型钢钢架支护段与格栅钢架支护段各20 m,通过现场试验及三维数值仿真模拟,对施工过程中的围岩位移、初支钢架应力、围岩-初期支护接触压力进行对比分析,结果表明：(1)在高地应力软岩隧道支护中,型钢钢架对沉降及水平位移的约束作用较强,但支护后期变形呈现台阶式增长趋势,支护设立2个月后仍无明显收敛趋势。相应地,支护结构承受了较大的围岩压力,试验断面围岩-初期支护接触压力最大值为336 kPa,钢架应力较大;二衬施作后围岩变形仍在增加,对二衬结构会有一定影响。(2)格栅钢架属于柔性支护,初期支护设立一周后拱顶累计变形达350 mm,可较好地释放高地应力区围岩应力与变形,但支护内力及变形急剧增加无法收敛。(3)为更好地控制围岩变形,在格栅支护设立一周后增设工字钢套拱作为后期刚性支护,围岩变形曲线呈现明显收敛趋势,洞室变形稳定至446 mm。断面围岩-初期支护接触压力实测最大值为190 kPa,有效地控制支护的变形与格栅应力。(4)试验表明,现场采用“先柔后刚”的支护原则,即先架立格栅后加设套拱对高地应力软岩隧道进行支护,可有效控制软岩大变形及支护内力,结构合理。经济性分析也表明,此支护形式具有较好的经济性,是一种可适用于高地应力软岩隧道的支护结构。     

挤压性破碎软岩隧道大变形特征及机制研究

在高地应力软岩地层中开挖隧道,易引发挤压性大变形,是隧道建设中的主要难题之一。依托成(成都)兰(兰州)铁路茂县隧道,通过岩石试验和现场测试,分析茂县隧道的变形特征及破坏模式,研究挤压性软岩大变形隧道的变形和支护作用机制。研究结果表明:高地应力软岩隧道施工期间围岩变形量大、速率快,围岩的挤压流动现象明显,变形持续时间长;围岩松动圈层数多、范围广,拱部锚杆受压,与围岩形成"压缩带",共同承载;支护结构承受较大的围岩形变压力,初支钢架多为"屈服承载"或破坏,破坏形式多样,但位置集中;围岩以剪切破坏为主,裂隙扩容现象明显,注浆对加固围岩及保持锚杆作用效果显著;多层支护可有控制的释放围岩变形,改善结构受力,降低围岩流变特性的影响。     

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。     

隧道下穿采空区围岩变形规律研究

为了研究下穿煤矿采空区条件下隧道围岩变形规律,以太原—焦作高铁控制性工程——皇后岭隧道为工程背景,通过开展数值对比试验,分析采空区与隧道不同距离、不同围岩强度、不同支护强度影响下拱顶位移变化规律。结果表明：随着隧道顶部与采空区距离的逐渐增大,拱顶沉降逐渐减小,即距离越大,采空区对隧道围岩稳定性的影响越小,采空区对隧道的有效影响范围约1.7倍的隧道洞径。随着围岩强度等级的降低,拱顶位移呈现指数式增长,隧道围岩稳定性受围岩强度等级影响显著。隧道拱顶位移随着支护强度的增大,位移不断减小,围岩等级越低,支护强度对隧道变形的有效控制效果越好。     

梦笔山隧道软岩大变形施工控制技术

软岩隧道初期支护大变形控制一直是隧道设计及施工中常面临的重大技术难题,依托在建梦笔山隧道炭质千枚岩软岩大变形问题,总结了大变形表现特征,分析了炭质千枚岩的工程特性及隧道产生大变形的各类原因。针对问题提出了调整预留变形量、超前小导洞释放应力、机械铣挖和三台阶临时仰拱开挖方法、双层初期支护、“田”字形钢结构、长锚杆和护拱等一系列综合控制技术措施,有效地控制了围岩大变形,保证了隧道施工的安全、质量和进度要求,并为类似隧道工程设计与施工提供了参考。     

大跨径尾水岔洞开挖与衬砌稳定分析

 针对目前国内外水利工程中大跨径地下尾水岔洞开挖与衬砌稳定分析现状,对其存在的主要问题进行讨论。总结大跨径尾水岔洞开挖与衬砌稳定的分析方法,包括数值模型建立原则、分析内容、流程、评价指标等。应用此分析方法,对溪洛渡水电站尾水岔洞开挖与衬砌稳定开展研究,包括大跨径尾水岔洞开挖过程中变形、应力及屈服区分布特点,以及不同应力释放荷载条件下的喷锚支护效果;针对运行和检修工况,分析岔洞围岩、衬砌结构的变形及应力分布情况,变形计算结果与监测结果一致。通过实际工程分析与应用,表明所建议的大跨径地下尾水岔洞开挖与衬砌稳定分析方法可用于指导同类岩土结构工程设计。     

特大断面大跨度隧道围岩变形的现场试验研究

 结合广州龙头山双洞八车道高速公路隧道工程实践,对特大断面大跨度隧道施工中围岩变形进行相关监测,分析变形随时间变化规律、不同开挖工序引起的纵向和径向空间围岩变形规律。研究结果表明：特大断面大跨度隧道采用双侧壁导洞法施工,能较好地控制围岩变形;在特大断面大跨度隧道施工过程中,右导洞上台阶、左导洞下台阶以及核心土开挖对围岩变形影响较大,是施工主要控制点;特大断面大跨度隧道开挖的纵向影响距离大致为一倍洞径左右,与导洞跨度基本相同,为6～8 m;洞顶垂直向径向影响距离约为25 m,左导洞顶30°方向的径向影响距离约为15 m。该研究结论可为类似条件下特大断面大跨度隧道设计施工和现场监测提供借鉴与参考。     

洞桩法施工地铁车站导洞开挖方案优化分析

导洞开挖方案的选择在地铁车站洞桩法的施工中越来越受到关注。依托北京地铁6号线朝阳门车站工程,对洞桩法施工的导洞进洞方式、开挖顺序等方案进行优化。采用有限元法,建立三维"地层-结构"相互作用模型,模拟了不同方案下的导洞开挖过程,获得了施工横通道的变形与应力、地表的变形以及邻近管线的变形等数据。数值分析结果表明:分离施工通道方式可以有效地控制施工通道的变形和应力;相比于先开挖下导洞,先开挖上导洞可以更好地控制地表沉降槽的形状和管线的变形;导洞开挖宜采用跳挖错距的方法,开挖错开距离不应小于10 m。     

略谈锚杆支护技术在软岩隧道中的应用

随着交通事业的不断发展,修建道路的迫切需求,今年来对于隧道的开放已经逐步展开,同时对于隧道的施工建设的相关问题逐渐被提到一个高度上来.在经过不同的实验和根据不同隧道岩石情况进行不同的支护应力的使用,围岩的径向和切向应力均是随荷载的增加而增加的;在同级荷载下,支护后的围岩径向和切向应力要高于支护前;径向应力随着离洞壁距离增大而增大,而切向应力在洞壁上应力集中,随后随着离洞壁距离的增大而减小,最后趋于稳定.锚杆使得围岩的稳定性大大提高,且长锚杆的支护效果要优于短锚杆.