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。     

活动断层下城市地铁隧道变形破坏与损伤

依托某跨断层隧道工程,建立断层-隧道-围岩的精细化三维数值模型,考虑实际盾构施工中的注浆压力、顶推力、注浆时效硬化和材料的非线性行为。通过数值模型分析盾构隧道穿越不同宽度、倾角、倾向的断层破碎带时的变形机制、力学特性及损伤演化,利用控制变量法分别改变断层的宽度、倾角和倾向来研究单一变量的影响。研究结果表明：隧道拱顶的变形和损伤面积与断层宽度的增加呈现正相关,随着断层宽度的增加拱顶挤压现象更加明显,但当断层宽度增加至一定限值时,衬砌拱顶将脱离围岩向洞内凹陷,拱顶的应力呈现先增大后减小的趋势;随着断层倾角的增加,衬砌拱顶向洞内收敛量先增后减小,初始损伤位置与断层倾角相关;断层倾向增加使隧道的损伤范围和程度不断减小,环向应力集中受断层倾向影响较明显,随断层倾向的增加,雷达应力图由“X”逐渐转变为“十”字形。在隧道选址阶段,应尽量让隧道正交穿越断层且在穿越较宽的断层时提前采取预加固措施来保证隧道的安全稳定性。     

特长铁路隧道软弱围岩破碎带试验段的现场试验

以新建宝鸡至兰州客运专线的朱家山隧道为背景,开展了软弱围岩断层破碎带条件下特长铁路隧道试验段的2组现场试验,完成了拱顶下沉、水平收敛、围岩压力、初期支护喷射混凝土应力、钢架受力、初支与二衬间压力及二衬混凝土应力等项目的现场测试,并对测试结果进行了详细分析.结果表明:在施工工法及支护参数基本一致的条件下,变质砂岩中隧道变形及受力要大于千枚岩;试验断面隧道变形超过控制标准,需调整施工方案并辅以相应的变形控制措施;围岩压力及初期支护应力受台阶施工影响明显,拱墙二次衬砌施工后,测值趋于稳定;初支承担了部分荷载,使得二衬受力减小;部分位置喷射混凝土出现了受拉开裂现象,部分钢架应力接近材料容许应力,二衬混凝土应力在容许范围内.研究结论以期为类似工程提供借鉴与参考.     

软弱围岩地段断层形态对大断面隧道的稳定性影响分析

依托三清高速西山营隧道,采用数值模拟与现场监测的方法,探究断层形态对隧道围岩变形及支护结构稳定性的影响,提出最佳加固方案。结果表明：拱顶沉降最大值随着断层厚度的增加呈“对数”曲线增长趋势,随着断层倾角增大呈“抛物线”曲线分布,当断层倾角达到90°时达到最大;最不利断层形态为倾角+厚度(83°+70 m);进而建立优化加固对比数值模型,得到管棚注浆加固能够有效控制围岩变形,抑制塑性区发展。结合实测数据发现模拟值与实测值相差较小,验证数值模拟结果的正确性。     

富水区隧道渗流场解析解及合理支护参数

以复势函数和地下水力学理论为基础,引入双极坐标描述等势线,推导由围岩、注浆圈和初期支护组成的富水地区隧道渗流场解析解,获得隧道注浆前后初期支护外水头的水头差公式. 通过与保角变换法、镜像法和数值模拟计算结果对比,验证所提解析方法的合理性. 通过研究隧道注浆圈、初期支护的渗流参数与初期支护外水头、渗水量及水头差的关系,提出隧道结构合理渗流参数的确定方法. 结果表明：减小初期支护渗透系数或增大初期支护厚度都可致渗水量减小且水头增大;水头差随初期支护渗透系数或厚度增大先增大后减小,当水头差处于峰值时,注浆圈能发挥较大的作用,初期支护外水头可以降至全水头的30%±6%.     

基于松动圈理论的软岩大变形隧道锚杆支护优化研究

在高地应力软岩区修建隧道时,由于软岩自身强度低、膨胀性强,又受高地应力挤压,若施工措施不当易发生软岩大变形,给工程建设带来巨大困难。根据围岩松动圈理论,采用统一强度准则,考虑中间主应力的影响,分析围岩应力状态,得到适用于软岩大变形隧道围岩松动圈半径计算公式。对安岚高速谢家坡隧道围岩进行弹塑性分析发现,软岩大变形隧道围岩松动圈沿横断面分布并不均匀,呈边墙大拱顶小的趋势,且随大变形级别的升高和支护反力的减小而增大。结合现场测试得到Ⅱ级大变形松动圈厚度拱顶处为6.5~7.0 m,边墙处为7.0~7.5 m;Ⅲ级大变形松动圈厚度拱顶处为7.5~8.0 m,边墙处为8.0~8.5 m,并以松动圈厚度为依据优化系统锚杆长度。对优化段监测可见,围岩变形显著减小,稳定性有效提高。     

中国白银山隧道施工技术

白银山隧道全长390m,采用新奥法原理施工。利用光面爆破技术,Ⅲ类围岩全断面一次开挖,Ⅱ类围岩和断层破碎带半断面正台阶开挖。初期支护为锚喷及钢筋混凝土护拱,二次衬砌为模筑混凝土、洞内防排水采用复合式衬砌中间设聚氯乙烯薄膜结合纵向、环向育管及橡胶止水带的综合治理方案。对于特殊地质中的浅理、特浅理进洞的施工,坚持“护拱稳定边仰坡,大管棚注浆加固土体,浅打眼、弱爆破、强支护”的原则,做到安全进洞;对于断层破碎带,则采取了管棚注浆,超前锚杆预先加固围岩并结合钢格栅支撑等有力措施,顺利通过了不良地段。最后分析了浅理段荷载的计算,阐述了新奥法的岩体动态性质的力学概念。     

走滑断层黏滑错动下隧道破坏的模型试验研究

为了探究断层错动对隧道及围岩的损伤机理及破坏特性,以滇中引水工程香炉山隧洞为依托,通过开展隧道穿越断层破碎带的黏滑错动模型试验,并采用ABAQUS进行数值建模,对试验结果进行验证分析.研究结果表明:断层错动过程中,衬砌主要发生受拉破坏,局部位置衬砌受压破坏;衬砌发生变形及破坏的区域,主要集中在破碎带范围内,以错动面处衬砌变形、破坏最为突出,衬砌的变形随距错动面距离的增大而减少,衬砌横断面内拱顶、右腰位置破坏最为严重;断层错动起始时刻,破碎带中间部位拱顶处衬砌拉损伤已经达到较高量级,衬砌局部开裂破坏,随着断层错动量的增加,损伤不断累积,当错动量达25 mm(相当于实际错动量1 m)时,衬砌整体损伤已累积到较高量级,此时衬砌的破坏接近试验的最终状况.岩体的破裂区域主要集中在距错动面两侧30 cm范围内,围岩变形随着距错动面距离的增加而逐渐减小.     

松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应分析

依托江西萍莲高速莲花隧道,建立考虑松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应的隧道开挖三维有限元计算模型,实现不同管棚注浆加固参数对隧道开挖稳定性影响的定量分析,在数值计算过程中研究注浆加固区力学参数(弹性模量、黏聚力)、管棚间距、注浆半径等因素对隧道稳定性的影响,并将研究成果应用于依托工程中,验证数值计算结果的正确性。研究结果表明:在隧道进洞段,隧道拱顶区域与掌子面前下方区域存在塑性区,上述2个区域为隧道进洞开挖过程中最易失稳的区域;管棚注浆加固可有效限制围岩变形,降低围岩体积应变,且管棚注浆加固区可有效隔离拱顶区域的围岩塑性区,有利于保证隧道拱顶安全;在整个管棚注浆加固长度内,管棚最大沉降量出现在隧道开挖掌子面附近;管棚最大沉降量的绝对值与注浆加固区弹性模量及注浆半径负相关,而与管棚间距正相关,但管棚间距对管棚最大沉降量的影响程度相比其他2个因素小。     

松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应分析

依托江西萍莲高速莲花隧道,建立考虑松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应的隧道开挖三维有限元计算模型,实现不同管棚注浆加固参数对隧道开挖稳定性影响的定量分析,在数值计算过程中研究注浆加固区力学参数(弹性模量、黏聚力)、管棚间距、注浆半径等因素对隧道稳定性的影响,并将研究成果应用于依托工程中,验证数值计算结果的正确性。研究结果表明:在隧道进洞段,隧道拱顶区域与掌子面前下方区域存在塑性区,上述2个区域为隧道进洞开挖过程中最易失稳的区域;管棚注浆加固可有效限制围岩变形,降低围岩体积应变,且管棚注浆加固区可有效隔离拱顶区域的围岩塑性区,有利于保证隧道拱顶安全;在整个管棚注浆加固长度内,管棚最大沉降量出现在隧道开挖掌子面附近;管棚最大沉降量的绝对值与注浆加固区弹性模量及注浆半径负相关,而与管棚间距正相关,但管棚间距对管棚最大沉降量的影响程度相比其他2个因素小。