高地应力软弱围岩隧道初期支护受力特性的现场监测研究

由于作用在初期支护上的围岩压力大,高地应力软弱围岩隧道开挖后经常出现围岩大变形、喷混凝土开裂、钢架扭曲等破坏现象,影响隧道的施工和长期运营安全。依托宜万铁路堡镇隧道,通过对围岩压力、初期支护喷混凝土应力、钢架应力、锚杆轴力和围岩深部位移等的现场监测,得到围岩压力与初期支护体系各子构件的力学特性,讨论其随时间的演化特性和沿隧道横断面的空间分布规律,指出围岩压力、钢架应力、喷混凝土应力随开挖进程存在急剧变化阶段,受施工扰动的影响显著,敏感性依次降低,沿洞周分布总体表现出“上部大,下部小”等特征。研究方法和结论为建立科学合理的高地应力软弱围岩隧道支护结构设计方法具有一定的指导和借鉴意义。     

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。     

秦岭终南山特长公路隧道大埋深段施工监测及分析

为了探讨在大埋深、软弱围岩条件下,隧道围岩变形、围岩压应力和支护结构的力学特征,采用SWJ-Ⅳ型收敛计、振弦式土压力盒等测试元件,对秦岭终南山特长公路隧道埋深大于1 200 m的Ⅲ类围岩地段,进行了净空收敛变形、围岩压应力、喷射混凝土应力、钢架应变、锚杆轴力等监控量测。结果表明,即使是在初期支护作用下,净空收敛的量值和速率在测试初期也是很大的;初期支护受力很大,特别是钢架内、外缘均处于受压状态,而且钢架大部分均超过钢材的屈服极限,钢架处于失稳状态;采用Ⅰ16型钢钢架(间距1榀.m-1)、3.5 m锚杆和20 cm喷射混凝土支护,其支护强度是不够的,应采取减小型钢钢架间距[改为3榀.(2 m)-1]等措施予以加强;施工中喷射混凝土必须及时、饱满,才能保证锚喷网钢架共同作用,否则会引起钢架变形很大,甚至导致塌方事故的发生。     

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。     

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。     

关角隧道F2–1断层破碎带支护结构优化设计

 依托关角隧道F2–1断层破碎带段,开展断层破碎带隧道支护结构优化设计研究。对采用原设计方案的支护结构位移、围岩压力、钢架应力、锚杆轴力进行现场监测,结果表明：施工工序对支护结构影响明显;钢架最大应力超过钢架强度,围岩压力分布不均匀,锚杆作用效果不明显,说明现有的施工方案无法满足施工安全要求,需要及时对其调整;经综合分析,提出提高钢架刚度、设置临时横撑、边墙小导管注浆等一系列改进措施,并采用数值计算软件FLAC3D验证其可行性。通过现场实施及监测结果的反馈,证明改进措施效果明显,研究成果可为断层破碎带隧道支护参数的确定提供理论依据和基础数据。     

乌鞘岭隧道F4断层区段监控量测综合分析

乌鞘岭隧道是兰新线重点控制工程，是国内最长的单线铁路隧道。该隧道穿越4条区域性大断层，地质及地应力条件十分复杂，围岩软弱破碎，变形大。针对复杂应力条件下的软岩大变形隧道特点，在F4断层区段施工过程中，严格进行系统、全面、长期的监控量测指导设计施工，以实测的拱顶下沉、水平收敛、锚杆轴力、初期支护围岩压力、初期支护钢架应力、初期支护混凝土应力、二次衬砌接触压力、二次衬砌混凝土应力数据为依托，进行实测数据与施工工序的关系、围岩压力与位移的关系、量测项目稳定值的预测、多量测项目发展趋势相互关系规律、位移的纵向分布规律、荷载侧压力系数、二次衬砌分担围岩压力比例、二次衬砌施作时机等多项综合分析，及时将处理信息反馈给施工，对开挖后的结构稳定性作出分析判断及采取相应措施。实践证明效果可靠，围岩稳定，结构完好，为保证该区段顺利贯通提供可靠的技术保证。     

大断面黄土隧道中型钢与格栅适应性的对比试验

正在修建的郑州-西安铁路客运专线大断面黄土隧道,开挖面积达160m2,因此,开展型钢拱架与格栅拱架研究,明确型钢拱架和格栅拱架的适用条件对设计和施工都具有重要的指导意义。研究方法采用现场对比试验,为了使试验结果有可比性,选取试验条件基本相同的贺家庄隧道洞身段作为试验段,分别设置型钢拱架段40m和格栅拱架段40m。测试内容有:拱顶下沉、拱脚下沉、水平收敛、围岩压力、初支钢架应力等。试验结果表明:格栅拱架比型钢拱架的沉降略大,水平收敛基本相等;格栅拱架比型钢拱架应力小,且应力分布相对均匀;土压力普遍很小,但格栅拱架土压力更小些;隧道掘进四榀钢架(3.2m)后,钢架沉降达总沉降的26%左右,最大应力达总应力的33%左右。经综合分析认为型钢拱架及格栅拱架均能适用于IV级黏质老黄土隧道,但格栅拱架更具优越性。     

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。     

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。     

Systematic numerical simulation of rock tunnel stability considering different rock conditions and construction effects

This paper outlines the construction process mechanics (CPM) principle for analysing the stability of rock tunnels and presents finite element method (FEM) numerical simulation and prediction on the deformation and failure of the rock masses surrounding tunnels under various rock mass properties and excavating and support conditions. Based on numerical modelling, a series of predicting curves for rock mass response and deformation are obtained, which provides the basis of guiding the design and construction of rock tunnels in Taiwan.     

强震区软岩隧道大变形破坏特征及其成因机制分析

 对在建的穿越5•12强震区发震断裂带上广甘高速公路杜家山软岩隧道中多次出现的大变形及塌方等地质灾害特征、影响因素及其成因机制的分析表明：强震区软岩隧道变形破坏多以坍塌为主,且多数发生于掌子面附近;围岩自稳能力差及地下水对岩体的软化作用是隧道发生变形破坏的主要诱因,但5•12强震及后期余震作用形成的大量深部震裂损伤岩体也是产生上述现象的重要因素之一,复杂的区域环境造成设计、施工中类似经验不足也是引发上述现象不可忽视的重要环节。研究表明,对于强震区软岩隧道应结合现场实际情况适当调整围岩的预留变形量及安全控制基准,加强原有的支护参数,施工中重视各环节的工艺衔接,采用以三台阶+预留核心土的微台阶法可有效控制上述灾害的产生。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩变形与破坏特征分析

 结合地质、监测、物探及施工资料,对地下厂房施工期围岩的变形与破坏特征进行分析。分析结果表明,高地应力和低强度应力比条件下,围岩的变形不再主要由地质结构面的张开变形构成,由岩块破坏产生的变形所占比重增加。围岩的变形量级和松弛深度相对较大,边墙的主要松弛深度为12～15 m,部分大于15 m。围岩变形量级与松弛深度成正比,而松弛深度呈现出渐进扩展的趋势,因此变形的时效性应理解为围岩破坏的渐进扩展过程,与常规的流变概念存在差别。主厂房及主变室下游拱腰部位混凝土喷层鼓胀性裂缝是层状岩体在高应力条件下的卸荷劈裂和向临空面的屈曲破坏的结果,这种破坏导致下游拱脚部位位移测值的增大。主变室上游边墙混凝土喷层裂缝表现为张性开裂,主要原因是母线洞开挖后岩体应力集中导致的岩体压裂破坏。在高地应力条件下,地下洞室群开挖是否可采用“先墙后洞”的施工方案是一个值得探讨的问题。     

开挖诱发隧道围岩变形的红外热像试验研究

采用相似材料模拟试验方法,借助红外热像仪等红外设备,对岩爆诱发的深埋隧道围岩变形破坏规律进行试验研究。配制强度较高的脆性相似材料,模型采用三轴向约束,通过单轴加载,模拟三维初始地应力状态。试验采用先加载后开挖方式,对开挖过程中深埋隧道围岩变形破坏情况进行红外热像分析,研究考虑开挖速度和支护条件等因素影响的岩爆诱发过程中深埋隧道围岩变形破坏时温度变化规律,试验结果表明：开挖速度越快,模型表面温度变化越大,隧道围岩弹性能积聚越剧烈,围岩岩爆倾向越高;提高支护强度对降低深埋隧道围岩的岩爆倾向具有一定的作用;隧道围岩表面热辐射温度的快速升高引起的红外异常可作为发生岩爆前期征兆。试验揭示深埋隧道变形破坏与温度场变化之间的对应关系,为深埋隧道的合理开挖和安全支护提供参考依据。     

深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类与调控策略

 根据锦屏II级水电站地下隧洞的地质条件、现场试验、数值分析和支护设计与施工全过程,建立深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类方法。该分类方法依据支护要求和控制因素将深埋硬岩隧洞的破坏现象分为3个大类、9种典型破坏模式,分析各种破坏模式的发生机制、表现形态以及调控策略,重点讨论岩爆的机制以及相应的调控策略。应用该分类方法对锦屏II级水电站地下隧洞围岩的破坏模式进行识别、机制分析,相应的调控措施也得到采纳。工程实践表明,该分类方法全面、实用,为现场设计、地质和施工工程师等在深埋硬岩条件下进行隧洞开挖和支护设计优化提供具体指导方针。     

阿公店水庫越域引水路工程泥岩隧道之設計

阿公店水庫位於高雄縣燕巢鄉境,係以防洪為主並兼具灌溉及公共給水之多目標水庫,惟因庫區淤積情況嚴重,為恢復水庫原有功能並達水資源永續利用之目的,經核定辦理"阿公店水庫更新工程計畫",採台灣首創排潤蓄清之空庫防淤操作,輔以越域引水路導引旗山溪潔淨水源蓄存運用,以同時解決水庫防洪、淤積及給水問题於一舉。隧道基於水理及施工性考量採4.0m内徑2R-3R-3R之正馬蹄型斷面,隧道開挖主要可能遭遇問題包括擠壓破壞及砂岩夾層蕴藏地下水狀況,由於泥岩隧道岩體分類及支撐設計不盡適用CSIR-RMR及NGI-Q值之經驗設計法則,遂採近似Terzaghi之岩壓估算方式,輔以數值分析法計算隧道變形與岩體-支撐之應力,俾檢核支撐設計之適用性,施工期間並彙整監測资料進行反算分析回饑設計,以期達兼顧安全與經濟之合理設計。考量儘早有效抑制隧道岩體擠壓及潛變變形,確保隧道長期之穩定性,並可維護洞内施工動綜提升施工效率,隧道仰拱設計以預鑄混凝土版進行斷面支撐閉合。     

新疆中生代复合型软岩大变形控制技术及其应用

 针对新疆沙吉海矿区中生代复合型软岩产生的顶板离层冒落、侧墙鼓出、底板鼓起等非线性大变形破坏现象,综合应用现场工程地质调查、理论分析、数值计算、物化分析、软岩水理作用测试、现场测试等手段和方法,深入分析本区中生代复合型软岩巷道围岩的分子膨胀+岩体结构面错动+开挖扰动的复合破坏机制,提出以恒阻大变形锚网索耦合支护为核心的主动支护技术体系。通过恒阻装置充分释放围岩膨胀能和塑性能,减小支护荷载及高应力集中,同时借助高阻性能抑制过大有害变形,合理控制围岩塑性圈;然后通过锚网索二次耦合支护消除围岩塑性大变形、层间软弱结构面的错动引起的围岩–支护之间的变形不协调,并采用注浆锚管控制底鼓大变形,最终形成围岩–支护结构协同承载体系。基于非线性大变形力学设计方法及数值分析,进行施工过程设计及参数设计。工程实践表明,该技术得到成功应用,保证了巷道的稳定。     

高应力软岩巷道围岩变形破坏研究

 以某有色金属矿山巷道为例, 给出了高应力软岩的定义, 论述了高应力软岩的特征、形成条件以及高应力软岩巷道围岩的变形破坏特征和类型, 分析了巷道开挖前后地应力状态的变化及其对围岩变形破坏的影响, 并从岩体和工程岩体围压状态变化和强度变化角度探讨高应力软岩围岩的变形破坏机理。     

并设小净距隧道中岩墙力学特征及加固措施研究

采用二维弹性、弹塑性数值计算方法,对Ⅲ~Ⅴ级围岩条件下平行布设的双洞隧道中夹岩墙受力、变形特点随隧道间距变化的情况进行了研究。研究表明,对于两隧道间距较小的小净距隧道,中夹岩墙的受力、变形极为不利,是设计、施工和监控量测的关键部位。同时,研究了不同隧道埋深以及不同岩柱加固措施对小净距隧道中夹岩墙受力、变形特点的影响,为小净距隧道的支护设计、开挖方式选取、岩墙加固方式选取以及现场监控量测方案制定等提供参考。