层理面倾角对围岩蠕变及支护结构力学特性的影响研究

汶马高速公路沿线广泛分布着以炭质千枚岩为代表的层状软岩,围岩蠕变特征和支护结构的力学响应受层理面倾角的影响显著。以鹧鸪山隧道为依托,利用块体离散元软件3DEC,建立了当层理面倾角β分别为0°,30°,60°和90°时,隧道的数值模型并进行计算,结合对断面长期监测数据的分析,主要得出以下结论:层状软岩隧道周边围岩的变形和结构受力具有显著的非对称特性,二次衬砌的安全系数较小,且收敛时间较长;二次衬砌内力受围岩蠕变效应的影响明显,轴力与弯矩的增长率在第1个10年内较大,随后增长率趋于稳定;随着层理面倾角的增加,最大正弯矩向左拱腰位置偏转,最大轴力向右拱腰位置偏转。层理面倾角越大,弯矩的增长率越小。     

层状围岩中管片衬砌受力特征的模型试验研究

深部层状围岩结构强度具有各向异性特点,此类地层中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。开展层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验研究,研究不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩压力、管片衬砌内力和变形分布规律。研究结构表明:管片衬砌受力和变形特征受层理面控制明显,管片衬砌受力极不均匀,弯矩、轴力和变形呈现非对称分布;管片衬砌壁后围岩压力最大值集中在强度最弱的层理面法线方向,该方向上管片衬砌的弯矩最大,轴力最小,变形最大;层理倾角对管片衬砌的受力和变形影响显著,层理倾角不仅影响管片衬砌壁后围岩压力分布形状还影响其量值大小;均质地层中,管片衬砌裂缝主要出在封顶块接头处和其他环向接头处,层状地层中管片衬砌裂缝出现位置受接头位置影响减弱,而受层理倾角影响明显,管片衬砌裂缝出现位置主要集中在层理面法向。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。     

基于合理拱轴线的偏压隧道最优断面研究

偏压隧道是工程中常见的一种隧道形式，隧道的断面形状会影响到衬砌结构受力性能和围岩的稳定性。针对偏压隧道的断面形状优化设计，基于衬砌合理拱轴线，开展偏压隧道最优断面形状的研究。根据偏压隧道的工程特点，建立初始断面形状为圆形的偏压隧道有限元模型，计算得到隧道衬砌的弯矩、轴力和偏心距。进一步，以偏心距最小作为目标函数，通过反复调整衬砌轴线的位置，使衬砌轴线逐渐逼近合理拱轴线，从而获得偏压隧道的最优断面。在此基础上，对比研究偏压隧道优化前后衬砌的力学性能和隧道围岩的应力分布情况。结果表明，这种最优断面形状的偏压隧道极大改善衬砌结构受力状况，衬砌主要承受轴向压力作用，能够充分发挥混凝土材料的抗压性能，而且隧道围岩的应力分布均匀，避免了隧道围岩的应力集中。     

穿越断层带隧道结构动态力学特性试验研究

为了揭示隧道穿越断层期间结构力学响应特性,通过室内模型试验研究断层倾角为45°、60°、75°时采用台阶法进行开挖施工的围岩压力、围岩位移和衬砌应力变化情况。结果表明：断层倾角越大,围岩压力值越高,断层倾角为75°、60°时围岩压力分别为45°的1.169倍、1.089倍;拱部围岩压力影响范围达1.0倍洞径,拱腰、边墙处影响范围为0.5倍洞径;断层倾角越大,围岩径向位移值越高,断层倾角为75°、60°时径向位移达45°的1.112倍、1.057倍;拱部围岩位移影响范围达1.0倍洞径,拱腰、边墙处影响范围为0.5倍洞径;由于存在断层结构,隧道开挖后形成较大松散压力,衬砌结构呈“扁坦式”受力状态,边墙位置衬砌应力最大,拱顶、拱腰处次之;断层倾角越大,衬砌应力值越高,第一施工循环拱顶位置衬砌应力在断层倾角75°、60°时分别为45°的1.176倍、1.079倍,拱腰处为1.187倍、1.089倍,边墙处为1.169倍、1.082倍;第二循环拱顶位置衬砌应力在断层倾角75°、60°时分别为45°的1.136倍、1.067倍,拱腰处为1.158倍、1.075倍,边墙处为1.156倍、1.077倍...     

顺层偏压隧道破坏特征及支护措施研究

处于倾斜层状岩体中的隧道常会产生地质顺层偏压的问题,导致隧道局部塌方、偏压变形及支护结构破坏。为探明顺层偏压隧道的破坏特征,本文采用了理论分析、数值模拟及现场实测的方法研究了顺层隧道围岩塑性区及位移场分布特征,揭示了应力分布特征、结构面分布特征与围岩破坏特征之间的关系,并针对性地提出了锚杆支护方案。研究结论表明:(1)深埋顺层偏压隧道的破坏特征主要表现在围岩将根据其切向应力方向与结构面方向夹角的不同分别发生岩层拉裂破坏、结构面剪切破坏及岩体自身破坏,不同破坏模式破坏范围不同导致了深埋顺层隧道的围岩塑性区、围岩位移等参数的分布呈现明显的偏压特征;(2)顺层偏压隧道围岩以岩层拉裂破坏及结构面剪切破坏为主,其中发生拉裂破坏的反倾侧拱腰位置附近围岩塑性区范围最广,围岩位移及洞周收敛位移最大,围岩处于极不稳定状态;(3)顺层偏压隧道应根据其偏压特征针对性的制定支护方案,对反倾侧拱腰和顺倾侧拱脚位置应采用长锚杆进行支护,但锚杆方向不应平行于结构面方向,而应呈一定角度。     

不同坡度下偏压黄土隧道开挖衬砌结构受力特征研究

偏压隧道的受力与常见的对称应力的受力情况有较大区别,随着西部地区基础设施建设的发展,在建设工程中经常遇到不同偏压地形下的黄土隧道,由于偏压隧道的特殊性,受力极不对称,对隧道的设计和施工产生较大影响。为了研究偏压黄土隧道开挖围岩及衬砌结构受力特征,利用FLAC~(3D)软件建立数值模型,计算不同坡度地形条件下隧道的围岩变形规律和衬砌结构的受力特征。     

膨胀性软岩隧道支护结构受力特性及缓释方法

隧道工程中因软岩的膨胀性而诱发的隧道支护结构失稳现象十分普遍。以膨胀性软岩导致隧道围岩结构非均匀受力为出发点，研究膨胀性软岩隧道支护结构的受力特性，试图建立一种膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释方法。在初期支护与二次衬砌之间植入团粒膨润土作为缓冲层，开展室内缩尺物理模型试验。通过MIDAS GTS NX软件建立三维数值模型，对比分析加入缓冲层前、后的膨胀性软岩隧道支护结构的受力特性。根据隧道力学理论推导构建膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释模型，得到缓释系数表达式，据此验证膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释方法的实用性。研究结果表明：加入缓冲层后，支护结构的变形及围岩膨胀力较加入前明显变小，变形均呈拱顶下沉、拱底向上隆起、拱腰向内收敛的特征；缓冲层通过对抗、弱化、传递以减小作用于支护结构上的围岩膨胀力，使单一的集中受力体系转变为均布荷载体系；通过缓释模型计算得出缓释系数为30%～50%，表明在初期支护与二次衬砌之间植入团粒膨润土作为缓冲层可以起到缓释膨胀力的作用，可为解决软岩隧道膨胀问题提供参考。     

挤压陡倾千枚岩地层小净距隧道大变形研究

为了探明小净距隧道穿越挤压性软岩地层的大变形机制,提出相应的大变形控制技术,本文采用理论分析、数值计算、现场试验等手段对这种隧道大变形的影响因素、围岩变形规律、支护受力特征等进行研究,得出主要结论如下:(1)高构造应力、陡倾围岩产状、低围岩强度、近接施工扰动等多因素的耦合作用,导致了该隧道大变形的发生;(2)后行隧道对先行隧道的卸荷扰动,一方面使先行隧道承受偏压荷载,另一方面使先行隧道中岩柱侧围岩向洞外产生弯曲破坏,主要表现在先行隧道中岩柱侧边墙位移的减小、初期支护拱部受力状态的转变、二次衬砌拱部和仰拱拉应力的增大;(3)根据围岩变形和支护受力情况,按近接施工影响程度对小净距隧道进行分区,并以此作为控制措施动态调整和工程类比的依据;(4)严格控制施工工序,避免先行隧道二次衬砌端头处于后行隧道开挖作业面之内,并根据应力分布特征调整隧道断面形状,根据岩体产状特征调整锚杆角度,根据近接扰动情况对中岩柱进行保护与加固。     

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。     

锚固围岩流变特性与隧道衬砌压力演化规律研究

安装锚杆是解决软岩隧道大变形的有效手段之一。为进一步探讨锚杆对隧道的支护效用,本文基于Burgers模型,建立了可描述锚固岩体流变特征的宏观力学模型。以围岩-锚杆耦合模型为基础,推导了在锚杆支护作用下隧道位移和衬砌压力的解析解。并利用数值模拟,验证了理论解答的可靠性。通过对锚杆参数的分析表明:锚杆的安装能有效地减小由于围岩流变导致的作用在衬砌上的形变压力与隧道位移。锚杆的支护效果与锚杆的参数密切相关。在锚杆参数值处于较小水平时,随着锚杆参数的增大,衬砌受力状态的改善效果十分显著;但当参数达到一定值后,这种改善效果的加强越来越不明显。因此,在隧道支护中,锚杆的设计参数存在最优值。     

浅埋偏压土质隧道削坡减载措施有效性分析

针对登攀右线偏压隧道进口段开挖围岩变形过大的实际情况,并根据洞口段偏压地形和工程地质资料,分别建立了未削坡减载和削坡减载开挖隧道进口段的两个模型,比较分析两个模型围岩变形和衬砌受力状况,证实了削坡减载方法对控制围岩变形和加强衬砌安全的有效性。     

层状岩层围岩隧道稳定性的探讨

首先分析了层状岩层围岩隧道受力特点,并提出层状岩层围岩隧道破坏机理及其四种典型失稳模型,结合湖南省常张高速公路关口垭隧道工程,利用有限元程序对不同倾角岩层围岩进一步分析了支护结构受力特点,总结出不同产状围岩的受力特征及相应二衬的最不利受力处,对今后相似层状岩层隧道设计及施工具有一定的参考价值和指导意义。     

明洞暗作隧道施工过程数值模拟研究

针对隧道明洞暗作施工过程中支护结构的受力性状,以某在建隧道为工程依托,用ABAQUS有限元分析软件模拟了隧道台阶法开挖的施工过程,由计算结果可知:软岩隧道台阶法施工时围岩位移变化量随施工步序呈现较大差异性,下台阶施工时的围岩位移量显著高于上台阶;围岩在拱脚和边墙处受力较大,出现局部应力集中,其中最大位移为0.950 mm。因此,软岩隧道开挖时应采取合理的围岩预加固措施,及时施作临时支撑及初期支护,确保洞室围岩开挖的稳定性。     

节理岩体对盾构开挖稳定性和地层损失率的影响

为研究节理岩体对盾构隧道开挖稳定性和地层损失率的影响,以南昌某盾构隧道为研究对象,采用离散元软件UDEC建立数值模型,分析节理倾角对围岩变形和地表沉降的影响规律,通过拟合得到地层损失率,并将模拟值与实测值进行对比,研究节理间距、盾构隧道间距以及隧道埋深对地表沉降的影响规律。研究结果表明：盾构隧道围岩在节理面产生较大位移,节理倾角的存在导致隧道围岩产生偏压现象,节理倾角为60°、90°时容易失稳;当节理倾角为60°时,地表沉降取得最大值,当节理倾角为45°时,地表沉降取得最小值。通过拟合Peck曲线可知,该工程区段的地层损失率范围为0.658%～0.896%;地表沉降值与隧道埋深、隧道间距以及节理间距均成负相关。     

陡倾岩层隧道开挖力学特性研究

陡倾岩层隧道由于层状结构的存在,在开挖过程中,围岩的破坏机理与方式、围岩与结构的变形、受力等特征明显不同于其它岩体隧道。本文在陡倾岩层隧道开挖破坏机理探讨的基础上,通过三维数值模拟,对不同陡倾角条件下围岩与结构的变形、受力特征进行了计算,分析了隧道开挖力学特性与倾角的关系,提出了陡倾岩层隧道设计施工建议。计算结果表明:倾角越大,隧道发生顺层滑移破坏的概率越大,地表沉降、拱顶位移、围岩主应力随倾角的增大而增大,但拱脚位移、围岩剪应力、喷射混凝土内力与倾角并非一致性关系。     

错台偏压小间距隧道施工现场监测研究

云南平年隧道是一种软岩条件下洞口偏压和两个洞口有高差的浅埋小间距隧道。通过分析地表沉降、围岩内部位移、围岩压力、二衬应力等大量数据,研究了小间距隧道施工过程中围岩及支护结构的变化规律,讨论了错台偏压小间距隧道合理施工顺序。研究结论可为错台偏压小间距隧道施工提供一定的指导。     

破碎围岩浅埋偏压隧道衬砌荷载的计算方法

隧道洞口大都会面临围岩破碎、浅埋和偏压等不良地质地形情况,现行规范只给出了偏压隧道衬砌荷载的计算方法.对于破碎围岩浅埋偏压隧道,根据现场情况及实测的衬砌受力和变形特征表明其与规范假定不同,不宜直接利用规范方法.通过工程实例分析及隧道三维数值分析结果提出了浅埋偏压隧道破碎围岩的破坏模式,即隧道开挖后深埋侧岩体滑塌下落挤压...     

岩层倾角对片岩隧道变形特征的影响

层状岩体的强度和变形具有显著的各项异性特征,隧道施工中围岩稳定性机理较为复杂,是隧道工程中的热点问题。为研究岩层倾角对围岩变形特征的影响规律,以中卫至兰州客运专线某大断面片岩隧道工程为依托,采用MIDAS进行了不同倾角下围岩稳定性数值分析,研究结果表明:层状岩体与各向同性岩体位移场差异性较大。对于各向同性岩体,隧道开挖后围岩产生向洞内的变形,位移场关于隧道轴线对称。对于层状岩体,围岩变形特征与岩层倾角相关,位移场关于层面法线方向大致呈现对称分布,隧道洞周测点位移不均匀性较大。岩层倾角对隧道围岩塑性区具有显著影响,岩层倾角不同,塑性区分布规律及面积均不相同,围岩稳定性差异较大。     

层状围岩管片衬砌配合陶粒与锚杆的联合支护技术研究

深部层状围岩中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。提出一种管片衬砌配合陶粒可压缩层与锚杆的联合支护技术,采用大比例尺相似模型试验针对联合支护技术的支护效果进行研究,进行了可压缩层配合不同长度和间距的锚杆支护效果对比研究,从管片衬砌内力、变形角度分析了联合支护效果,从可压缩层的压缩变形路径和移动特征角度分析了联合支护机理。研究结构表明:联合支护技术一定程度上改变了管片的内力分布形式,降低了围岩偏压作用,削减管片衬砌内力和形变量;锚杆的施作可以有效减小层状围岩变形,陶粒压缩层可以有效吸收围岩变形;联合支护中锚杆的长度和间距存在一个最优值,超过该最优值,锚杆的加固效果不再明显增加;联合支护的作用机理由两部分构成:陶粒压缩层的让压作用与锚杆加固作用。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。     

软岩大变形隧道二次衬砌施作时机探讨

软岩大变形隧道二次衬砌施作时机始终是隧道界讨论的热点问题,但目前还没有具体的软岩大变形隧道二次衬砌施作时机的判别指标.结合乌鞘岭隧道工程实例,分析二次衬砌稳定性的影响因素,以及初期支护变形与二次衬砌变形的关系、施作二次衬砌前支护变形速率与二次衬砌变形的关系、二次衬砌开裂断面对应的支护变形及二次衬砌分担围岩压力比例等.根据实测变形统计值、理论计算的极限位移及弹性位移,推算量测丢失位移,并得出实测变形、二次衬砌前变形速率与极限位移等之间的相互关系.最后提出不同大变形级别的乌鞘岭隧道二次衬砌施作时机的两个判别指标,即以隧道极限位移为基础,以现场量测日变形量与量测总变形量为依托的判别指标,在软岩大变形隧道二次衬砌施作时机方面进行探讨和尝试.