基于围岩-支护特征理论的高地应力软岩隧道初期支护选型研究

结合正在修建的兰新铁路第二双线LXS-7标的极高地应力大梁隧道,开展型钢钢架与格栅钢架支护机理研究。在综合考虑喷射混凝土时间硬化效应对初期支护强度的影响基础上,基于围岩-支护特征理论综合分析型钢钢架及格栅钢架的支护机理及其适应性,探索高地应力软岩隧道工程中不同刚度支护的力学响应过程,绘制高地应力软岩隧道几种可能的围岩-支护特征曲线,为高地应力软岩隧道合理支护形式的确定提供理论依据,并提出适合于围岩大变形的合理支护形式,以及控制高地应力软岩隧道大变形的合理措施。     

高地应力断层带软岩隧道变形特征与控制措施研究

隧道在穿越断层地带时由高地应力引起的软岩大变形问题是隧道建设施工中难点,给隧道建设的施工与进度带来很大影响。本文结合区域地应力,围岩强度实验等分析柿子园隧道穿越断层地区产生支护结构破坏现象的原因,并对围岩压力,钢架应力,围岩变形进行了现场监测,得到了高地应力软岩大变形引起的支护应力特征与变形特征,提出了控制大变形的技术措施。研究表明,高地应力区软岩隧道穿越断层地带时,由于复杂的构造应力造成隧道结构受力不均,隧道左右两侧围岩压力,支护内力与围岩变形呈现出很大的不对称性。采用优化断面形式、加强初支刚度、非对称预留变形量和锚杆布置等措施可以有效减小隧道结构受力,控制隧道变形。     

隧道围岩与支护结构变形协调控制机理及工程应用

为解决高应力下隧道岩爆以及软岩大变形控制难题,本文从隧道围岩荷载与支护平衡、变形协调控制及围岩能量守恒三方面进一步分析地下工程平衡稳定方法的特点;根据不同围岩级别总结地下工程平衡稳定方法中隧道支护结构抗力与围岩变形特征曲线,并提出隧道围岩支护的施工建议;通过分析围岩与支护结构有效荷载传递规律与功能转换特征,揭示围岩平衡与支护结构变形协调控制机理,并结合高应变吸能层材料设计一种表征为“吸能让压 支承抗压”的一体化新型隧道围岩支护工艺。通过工程应用表明,基于新型支护工艺在岩爆、软岩大变形隧道中围岩压力降低28.09%,保障了隧道安全高效施工。     

白岩子隧道软岩大变形施工技术

隧道大变形已成为高应力软岩地层隧道施工中较为常见的问题.以新建铁路丽江至香格里拉线白岩子隧道软岩大变形施工为背景,对软岩大变形隧道进行了分类,通过现场试验对比不同支护参数下围岩变形抑制效果以及施工造价,提出了相对合理的大变形控制施工措施,主要结论如下:1)白岩子隧道大变形应为高地应力作用下的软弱节理围岩引起的挤压性大变...     

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。     

高地应力软岩隧道围岩压力研究和围岩与支护结构相互作用机制分析

岩体开挖后受扰动而产生应力重分布过程极其复杂,尤其是在不良地质环境下更甚。对于地质条件差、地应力为高~极高的软弱围岩,其结构受力大小与受力特征对隧道结构安全尤为重要。针对目前研究中存在的问题,结合工程中出现的问题和实际需求,以高地应力软弱围岩条件下的关角隧道、木寨岭隧道等工程为背景,通过地应力现场实测、理论研究与数值分析,对高地应力软岩隧道围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制进行研究。主要进行以下几方面的研究工作:(1)在中国地应力场分布规律统计分析基础上,统计得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。(2)采用水压致裂法进行兰渝线天池坪隧道和两水隧道地应力现场实测。在此基础上,分析隧道所处的原始高地应力水平及隧道开挖后的地应力分布规律;采用改进的BP神经网络进行了木寨岭、天池坪等隧道的宏观地应力场拓展分析,获得地应力的宏观分布形态与特点。(3)针对现有本构关系,对高地应力软岩尚不具有广泛代表性和卡斯特耐尔公式无法直接计算出在塑性区范围不同发展过程对应的塑性形变压力的问题,以原岩应力和隧道容许位移(或支护后实际量测位移)为出发点,采用岩体软化"直–曲–直"模型,推导了隧道形变压力计算公式。(4)利用台阶法开挖中存在的空间效应和改进的BP人工神经网络模型预测位移以及多项式拟合预测方法,提出两类在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。通过在关角隧道和木寨岭隧道大战沟斜井高地应力软岩地段的应用,探讨其结构荷载与应力释放规律,其结果得到三维数值分析的验证。(5)为验证卡斯特耐尔扩展公式合理性,基于参数全过程变化的应变软化FLAC3D三维数值模型,模拟木寨岭隧道正洞高地应力软岩地段隧道开挖支护过程。三维数值结果与卡斯特耐尔扩展公式计算结果吻合,进一步证明该公式在高地应力软弱围岩条件下应用的可靠性、适用性。在统计青藏地区地应力分布规律基础上,结合现场实测和拓展分析,准确获得高地应力软岩隧道位置原始地应力,为研究围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制提供依据。在原始地应力基础上,结合理论分析和数值仿真,获得高地应力软岩隧道的围岩压力计算方法和围岩与支护结构相互作用机制。主要创新点体现以下4个方面:(1)统计分析得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。总结出青藏地区地应力分布规律与特点,为判别该区域地应力测试结果的合理性提供依据。(2)针对高地应力条件下软岩隧道大变形问题,引入岩体软化"直–曲–直"模型,推导出适用于高地应力软岩隧道基于原岩应力和隧道位移的隧道形变压力计算公式。(3)提出2种在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。(4)为在三维数值分析中反映软弱围岩参数随坑道变形而不断变化的特性,引入参数全过程变化的应变软化模型,利用FLAC3D软件验证卡斯特耐尔扩展公式应用于高地应力软岩隧道的可靠性和适用性。     

高地应力软岩隧道长、短锚杆联合支护技术研究

基于考虑应变软化特性的深埋隧道弹塑性解,采用锚杆中性点理论,系统地分析高地应力软岩隧道短锚杆支护失效机制,并论证高地应力软岩隧道中对锚杆长度进行加长的必要性:一方面增大锚固段的围压以提高黏结强度,另一方面增大锚杆头部和尾部处的围岩位移差以提高锚杆对围压的锚固效用。将高密度支护模式的短锚杆等效为复合岩体,同时将长锚杆对围岩的锚固作用考虑为作用在隧道洞壁处的等效支护力,建立隧道长、短锚杆联合支护力学模型,考虑锚杆和围岩的相互作用,得到长、短锚杆联合支护后的围岩特征曲线。通过对比每延米隧道锚杆用量相同情况下,普通短锚杆支护和长、短锚杆联合支护状态下的围岩特征曲线,说明了长、短锚杆联合支护策略对高地应力软岩隧道变形控制的有效性。该长、短锚杆联合支护力学模型考虑了长锚杆与围岩的相互作用,为高地应力软岩隧道长锚杆支护长度的设计提供了一种计算方法。     

榴桐寨隧道高地应力软岩大变形机理研究与施工措施应用分析

软弱围岩在高地应力作用下发生大变形及破坏的特征不仅受围岩本身力学性质的影响,还与原始地应力状况及工程因素等有关。榴桐寨隧道埋深约1 400 m,围岩以软岩为主,构造带可能应力集中,软岩存在大变形问题。隧道软质岩大变形主要影响因素包括地应力条件、岩体强度、地质构造影响程度、地下水发育特征、围岩分级、岩石膨胀性。当围岩内部的最大地应力与围岩强度的比值达到某一水平时才可能发生软岩大变形。研究表明,当强度应力比小于0.3～0.5时,即能产生比正常隧道大一倍以上的变形。通过对榴桐寨隧道发生软岩大变形的机理研究,找到一套行之有效的施工控制措施是保障施工及运营期安全的关键。     

挤压性软岩隧道大变形灾害及控制措施研究

软岩大变形隧道修建时,由于围岩自稳能力弱,隧道时常发生较大收敛问题。根据云南省云临高速公路大亮山隧道地质勘察报告,对ZK20+160～ZK20+320段初期支护大范围开裂、仰拱隆起严重等问题采用有限差分数值方法进行模拟研究。通过对数值模拟结果的分析得出软岩大变形隧道变化规律,并由此提出相应的设计施工优化措施。研究表明：隧道拱顶沉降与仰拱隆起大,隧道围岩塑性区半径大,符合高地应力下软岩大变形隧道开挖的物理力学变化特征;将数值模拟二次衬砌拱顶沉降曲线与现场实测拱顶沉降曲线对比分析,结果表明两者变化规律一致;针对现场初期支护开裂、仰拱隆起与钢拱架扭曲变形等工程问题并结合数值模拟结果,建议采用双层支护、增设锁脚锚杆和仰拱尽早封闭等优化措施控制隧道变形开裂问题。     

高地应力软岩隧道大变形的控制技术探讨

为解决高地应力条件下软弱围岩大变形造成的断面缩小、基角下沉等破坏问题,分析了隧道内软弱围岩的受力情况,并建立了数值分析模型,对两种不同的开挖方法进行了模拟分析,以探索出更好的控制高地应力软岩隧道变形的措施。     

高地应力软岩隧道松弛效应研究

高地应力软岩隧道的长期稳定性评价是个技术与理论难题，隧道工程衬砌施工后，一方面要承担由于岩体本身强度较低而产生的蠕变变形，另一方面需要承担围岩的自承能力随时间不断降低产生的松弛荷载。高地应力软岩隧道通过选择合理的施工工法和支护参数，减小围岩的变形和松动范围，降低作用在支护结构上的荷载，是当前软岩隧道设计施工的重要发展方向。以某高速公路隧道软岩隧道为例，通过现场地应力测试与数值仿真，研究其松弛机理，为高地应力软岩隧道的设计与施工方案的选择提供有益的探索。     

软岩隧道超前注浆预衬砌支护新方法与应用

软岩大断面隧道超前支护技术虽然已做了大量的研究,提出了多种超前支护方法,但关于深埋软弱围岩的概念、分类、各类软弱围岩的变形力学机制、软弱围岩难支护的原因、软弱围岩支护的力学原理、支护原则与支护对策等一系列的软弱围岩工程地质力学理论方面的问题尚未系统解决。以宝峰隧道为例,研究了软岩隧道超前支护方法,提出了一种超前注浆预衬砌支护新方法,并进行了试验和检验,取得了良好的效果。     

软岩隧道NPR锚索主动控制关键技术

为解决横断山区软岩隧道的大变形问题,本文以云南省昌宁至保山高速公路昌宁隧道为工程背景,采用理论分析、现场试验等方法,从作用机理、支护方案、施工工艺等方面对软岩隧道开展了高预紧力恒阻大变形(NPR)锚索主动支护及关键技术研究。结果表明：被动支护下,隧道围岩节理裂隙发育、黏土矿物含量高、围岩强度低、微观结构存在细小溶蚀孔、结构疏松等是昌宁隧道围岩发生变形破坏的主因;提出了“NPR锚索+PR锚索+“W”钢带+高强柔性网”主动支护技术,并通过现场松动圈测试等试验,确定了NPR锚索、PR锚索等的支护参数;针对极破碎围岩及含水软岩的特殊环境,提出了“先喷后支+复喷”和“锚固端下缘封堵+钢绞线端头加丝”NPR锚索主动支护优化技术;现场试验结果表明,NPR锚索主动控制技术能够有效控制软岩隧道围岩大变形,最大变形量由原来的2 125 mm控制到300 mm以内,保障了隧道支护结构的安全。     

连拱隧道软岩大变形特征分析及施工方法研究

通过邵家台连拱隧道施工中开展的软岩大变形研究及现场施工实践,分析和总结了软弱围岩在施工过程中出现的地质、地应力及围岩变形特征等,针对其特点探讨了控制变形支护参数及有效的施工方法,解决了现场施工难以正常掘进问题,同时也保证了隧道的施工安全和质量。     

峡口隧道高地应力软岩段变形施工技术研究

结合工程实例,分析了在高应力作用下的隧道围岩和支护结构的变形特征,并采用超前预报技术、超前预加固等多种施工技术组合,探索出一套应对复杂地质高应力软岩隧道施工技术措施,同时根据现场围岩监控量测结果,验证了峡口隧道高地应力软岩段变形施工技术的科学合理性,对类似工程隧道建设具有一定的参考价值。     

两水隧道围岩破坏原因分析与治理措施

两水隧道是处于高地应力环境下的双线软岩隧道,如何保证围岩稳定,进行安全施工是最迫切需要解决的问题,该隧道在施工期间出现了围岩沉降和收敛过大、初期支护变形致钢拱架扭曲等现象.在现场调研、应力分析的基础上,结合软岩变形的机理与对监控数据的分析,提出了施作临时仰拱、二衬及时跟进和采用铣挖机配合钻爆法结合等措施.实践证明,上述措施科学的应用对控制围岩的沉降和收敛取得了较好的效果.     

炭质板岩隧道大变形段“围压拱”支护方案

针对大草山隧道穿越二叠系炭质板岩、断层破碎带等软质岩,可能产生软岩大变形,并存在高地应力-极高地应力的特殊地质特征,将大变形段落衬砌结构分为三级进行特殊设计,提出了"放抗结合,长锚围压,固结成拱,强支跟进"的设计理念及"变松动圈为承载拱"的"围压拱"支护体系,并对针对性预案设计进行探讨。通过模拟计算,采用预应力钢束(锚杆)加固围岩松动圈为承载拱后,可有效控制围岩及结构变形。隧道软岩大变形采用"围压拱"支护方案,将"大变形"问题转化为"一般变形"问题,研究方法和结论为软岩大变形隧道衬砌结构设计提供一定的理论支撑,对更加科学合理的确定软岩隧道衬砌结构参数具有一定的参考价值。     

中老铁路高地应力软岩隧道施工方法比选分析

高能场体环境下大变形、岩爆等隧道灾害屡见不鲜，该类环境的主要特征为高地应力，隧道的地应力条件将会影响围岩变形规律和结构内力，开挖工法的选择将直接影响隧道工程的效率和安全。已有研究在工法模拟时的地应力条件大多根据隧道埋深计算，与实际地应力条件相差较大，导致结果过于片面。因此，本文基于地应力实测结果，采用有限差分软件对高地应力软岩隧道情况下三台阶法、CD法、CRD法施工的围岩变形规律及结构安全性进行分析研究，结合工程现场监测结果，验证结论的正确性。分析结果表明：中老铁路高地应力环境表现为水平最大主应力大于竖向最大主应力，二者比值在1.15～1.71之间；CRD法对高地应力软岩环境下围岩变形的控制效果最佳，CD法其次；高地应力软岩环境下二次衬砌轴力整体分布均匀，仰拱和拱脚部位的弯矩较大，安全系数小；CRD法情况下的围岩压力整体最小，对于围岩稳定最有利，CD法次之，三台阶法的围岩压力最大。     

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。     

沿空巷道围岩破坏规律研究

为研究回采条件下沿空留软岩巷围岩变形与破坏,采用理论分析方法总结了沿空留巷围岩应力场分布规律及围岩大变形的破坏机理,通过室内试验方法获得工作面不同围岩的物理力学性质,根据围岩的受力特征及岩性的力学特性,设计了矩形巷道断面的支护结构设计。采用有限差分方法建立回采条件下软岩巷道的数值模型,并数值模拟开采影响下不同支护条件的软岩巷道变形和破坏规律,通过建立锚杆和锚索的数值单元来模拟不同支护方案下围岩的变形和破坏规律,最终得出了一些有意义的结论。