隧道围岩失稳的突变理论分析

通过探讨隧道围岩体发生塌方失稳破坏的机理,建立了隧道发生塌方失稳的突变模型,该模型可较好地解释隧道穿越软弱围岩时拱项常发生大范围塌方的现象,具有较好的实用性.据所建立的突变模型,从刚度比、水致弱化系数比、几何-力学参数等参数进行了隧道围岩稳定性的突变分析,分析结果表明,水致弱化函数、几何参数、刚度比对软弱围岩体稳定性有很大的影响,分叉集上的点的是系统产生失稳的点,系统受外界环境和内部性质改变时,则系统将跨越分又集,产生突变失稳.通过深埋隧道围岩稳定性的突变理论分析,从地下水防治、超前支护、控制爆破及监控量测方面提出了深埋隧道穿越软弱围岩体引起塌方的预防控制措施,对于隧道施工具有很好的指导意义.     

浅析隧道施工水平岩层超欠挖控制

水平岩层是隧道工程施工经常遇到的一种地质构造,因为岩体通常比较脆,粘结性差,节理比较发育,所以导致围岩稳定性差。本文针对蒙华铁路7标一工区三组青化砭2号隧道出口开挖过程中,遭遇陕北地区特有的水平岩层和类煤矸石水平夹层(砂岩、泥岩)及煤层,通过分析影响围岩稳定性的因素,确定防止围岩失稳垮塌的控制措施进行阐述,为同类型水平岩层条件施工提供借鉴参考。     

复杂岩层地区盾构隧道结构设计荷载计算方法

以贵阳3号线顺海站—温泉路站区间盾构隧道工程为背景,探讨复杂岩层地区盾构隧道结构设计的荷载计算方法,并基于该方法采用荷载结构模型对隧道衬砌内力进行计算,同时与地层结构模型计算结果进行对比分析,研究结果表明:复杂岩层地区盾构隧道结构设计荷载计算方法能较为真实地模拟岩石地层中盾构隧道的实际受力状态,反映岩石与盾构隧道的相互作用,还能体现盾构隧道由浅埋过渡到深埋后围岩的成拱卸荷效应,计算结果用于结构设计偏于安全。所得结论可为复杂岩层地区盾构隧道结构设计提供参考。     

连拱隧道围岩压力计算方法与动态施工力学行为研究

由于双连拱隧道的多分部开挖支护的结构荷载转换过程多,围岩应力变化和围岩与结构相互作用关系复杂,目前在设计、施工中仍然存在一些问题:(1) 勘察设计围岩分类与施工揭露实际围岩级别常有差异,并难以实现及时变更.(2) 尚无满足连拱隧道特点的围岩压力理论,特别是在浅埋偏压条件下围岩荷载估计偏差较大.(3) 施工中经常出现支护失效、衬砌裂缝及渗漏泄水等工程安全、质量问题.针对连拱隧道中的问题,进行围岩压力计算方法和动态施工力学行为研究,主要研究成果有:(1) 对于连拱隧道,围岩塑性区受中墙及施工方案影响较小,主要与最终开挖跨度有关.在计算荷载时要考虑最不利工况,连拱隧道坑道宽度取整个连拱隧道的宽度是合理的,偏于安全的.(2) 应用比尔鲍曼理论求得塌落拱曲线方程,然后用作图法在连拱隧道外侧作一个切线与以地形的坡度求出的塌落拱曲线方程的切线相平行,两平行线的距离即为地形偏压临界覆盖厚度.运用此方法求得连拱隧道大跨度条件下的偏压连拱隧道地形偏压临界覆土厚度,为偏压连拱隧道设计提供可靠依据.(3) 针对连拱隧道断面远大于单线隧道,围岩压力大于按单线隧道宽度修正结果所出现的问题,提出对于大跨度双连拱隧道,在极浅埋、浅埋条件下,仍然分别采用全土柱理论荷载和谢家烋理论荷载;在深埋条件下,推荐双连拱隧道竖直地层压力采用适合双连拱大断面隧道特点的修正比尔鲍曼理论围岩压力计算公式.(4) 对于浅埋偏压连拱隧道,不仅要考虑非对称的地层主动荷载,还要调整浅埋侧地层被动荷载,提出浅埋偏压连拱隧道地层主动偏压荷载和被动不均匀荷载确定方法及地形偏压情况下隧道支护结构的合理计算方法,并求得不同坡率、不同围岩级别条件下浅埋侧土体的弹性抗力系数的合理取值,为设计中偏压连拱隧道采用荷载结构模式计算时浅埋侧土体的弹性抗力系数取值提供参考.(5) 在充分吸收国内外围岩分类经验的基础上,针对隧道施工期间的现场围岩判别特点与要求,提出一种现场围岩快速评价方法,该方法以定量与定性指标相结合,现场观察、量测及快速评价.另外针对隧道围岩实际力学指标难以获取的难题,提出应用围岩Q指标和现场点荷载强度推测围岩物理力学参数的方法,并结合围岩快速评价结果,综合确定隧道围岩实际力学指标.(6) 对于浅埋偏压连拱隧道,侧导洞应该先开挖深埋侧侧导洞,而主洞应该先开挖浅埋侧主洞;而对于非偏压连拱隧道,在围岩条件较好时主洞开挖可采用上下台阶法,且主洞开挖合理的工作面间距应约为2.0D～3.0D(D为单拱跨度);在中隔墙完成后,部分回填,使正洞初期支护能直接作用在中隔墙上,不仅有效提高支护整体刚度,还使中隔墙受力更合理,改善中隔墙受力状态.经富溪偏压连拱隧道工程施工与现场监测结果检验,提出的连拱隧道坑道宽度取值、偏压连拱隧道深浅埋分界、围岩主动压力与围岩被动压力计算方法、现场围岩级别快速评价以及施工方法正确合理,可为工程建设提供重要技术支持和经验.     

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。     

巷道围岩弱结构灾变失稳与破坏区域形态的奇异性

巷道围岩复合结构在矿井工程应力的作用下呈现复杂的、非均衡的变形破坏现象,围岩弱结构对巷道围岩破坏区域发育形态、结构变形破坏演变过程以及围岩稳定性等具有重大影响。按照复合结构特征与工程应力环境,将围岩弱结构分为岩性弱结构、几何弱结构和应力弱结构三大类别,主要有11种弱结构形式。巷道围岩弱结构变形破坏具有灾变失稳效应,即首先从弱结构部位发生破坏,其进一步扩展将导致围岩整体灾变失稳与支护体失效。探地雷达井下探测表明,巷道围岩弱结构破坏区域发育形态具有多样性和奇异性,在岩性差异较大的岩层界面上会发生奇异性变化,弱结构起着主控作用。提高弱结构部位的支护强度,实行非均称支护,可以有效地控制弱结构变形破坏的扩展及灾变失稳,具有控制围岩整体稳定性的特效。     

功效系数法在隧道围岩失稳风险预警中的应用

为了对隧道围岩危险性做出准确判断,以便于现场及时采取相应工程措施,预防围岩失稳灾害的发生,将功效系数法应用于隧道围岩的稳定性评价中,对围岩失稳风险进行预警.选取岩石的单轴饱和抗压强度Rc、岩石质量指标RQD、岩体完整性系数Kv、结构面强度系数Kf、地下水作用指标、洞轴线与主要结构面的夹角q 作为评价指标,采用专家评估法确定各指标的权重系数,建立隧道围岩失稳风险预警模型.根据总功效系数的大小,将围岩失稳险情划分为巨警、重警、中警、轻警和无警5个警限.然后,运用所建预警模型对浙江省诸永高速公路西华岭隧道围岩危险性进行判断.研究结果表明:运用功效系数法对围岩危险性进行警情预测,比较符合实际,且简单易行,不失为隧道围岩稳定性评价和失稳风险预警的一种新方法,具有较高的工程应用价值.     

隧道围岩-喷射混凝土界面应力解析

根据喷射混凝土支护隧道围岩的界面力学特点,考虑喷层与围岩结合界面受力和变形协调关系,并结合围岩承载拱效应,建立了围岩喷层结构的复合曲梁共同承载模型,然后通过各微单元静力平衡推导复合曲梁的径向位移的控制微分方程,得到任意分布荷载作用下喷层与围岩界面应力以及喷层与围岩各自内力的解析式,可迅速获取喷层与围岩结合界面的力学状况,进而判断围岩稳定性与预测安全性,为隧道施工决策提供技术支撑。最后经隧道台阶法开挖的算例研究表明,喷层支护通过其与围岩的结合界面上传递应力使围岩内部形成压应力带,有利于围岩的稳定。     

隧道破碎围岩稳定性分析研究

随着公路隧道的建设越来越多,隧道在修建过程中地质灾害问题多种多样,其中围岩失稳问题尤其突出。通过对围岩稳定性分析预判,采用多种方法对破碎围岩隧道开挖与支护方案的合理性进行分析,从而指明未来隧道破碎围岩稳定性的发展方向。     

浅层地震法在隧道围岩稳定性评价中的应用

以金堆城钼业尾矿输送隧道工程地质勘察为例,采用分布式数字地震仪进行浅层地震法测试,较好地查明了地层、断裂构造,并根据波速进行了地质分段,为隧道岩体质量和工程地质围岩分类评价提供了较充分的分段依据,此分段方法经钻探、槽探及工程地质测绘验证,并在隧道施工时进行了现场确认,与现场实际情况基本吻合。在阐述了浅层地震反射波探测方法的基础上,引用浅层地震勘探成果较好地解决了隧道工程勘察中的分段、岩体质量指标和围岩稳定性评价等问题,对类似工程有一定的指导意义。     

埋深对软弱隧道围岩破坏影响机制试验研究

通过室内模型试验,研究公路隧道IV,V级围岩在不同埋深条件下全断面开挖时的围岩破坏情况,实现自重应力场作用下毛洞状态时隧道围岩破坏过程的试验模拟,得到拱形塌方和塌穿型塌方2种围岩破坏模式。试验结果表明:隧道围岩的破坏从拱顶开始,并逐渐向上发展;埋深越小,隧道越易发生塌穿型塌方,而当埋深小于某一值时,因隧道开挖后围岩应力未超过围岩强度,隧道反而能保持稳定状态;对塌穿型塌方,隧道埋深越大,开挖后围岩维持稳定时间越短,塌方程度越严重,塌方向地表发展得越快;对同一类型的塌方,隧道埋深越大,塌方后隧道周边应力变化幅度越大。     

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...     

重庆轨道交通四号线头塘地铁站围岩压力分析

以重庆轨道交通四号线头塘车站为工程背景,地铁车站属于特大断面浅埋隧道,首创采用预留T字岩梁岩柱隧道施工方法,应用全土柱理论、普氏理论、泰沙基理论、比尔鲍曼理论计算了隧道施工全断面开挖完成后不同埋深工况下围岩的垂直压力、水平压力,分析得出泰沙基理论的计算结果适合于该工程,应用小净距隧道围岩压力理论,计算了T字型断面形成后不同埋深工况下围岩的垂直压力、水平压力。理论分析了隧道施工过程中形成T字型断面以及全断面时顶板的最大拉应力、最大挠度,并计算了隧道顶板不垮落离层时需要的最小支护反力,研究结果为车站施工、支护结构安全提供理论支撑。     

到溪洞口浅埋软弱围岩段隧道设计

针对到溪隧道出口段埋深较浅并存在一定偏压、围岩破碎、节理裂隙发育、自稳能力差等,对隧道洞口浅埋段采取地表预注浆设计进行加固,并阐述了注浆施工工艺,较好的改善了软弱围岩的成拱稳定条件。     

通透肋式拱梁隧道结构荷载设计计算方法探讨

The permeable tunnel with ribbed arch beam,which is a new type of tunnel structure,is analyzed. The geological environmental conditions and structural characteristics of this tunnel are expounded;and the concept of the design load standard for which the relaxation of the pressure caused by the surrounding rock failure in the limit state for this kind of non-symmetric half-dark tunnel structure is presented. By the numerical simulation study of the pattern and scope of tunnel surrounding rock failure,the basic failure modes of this tunnel can be concluded as which the vault slope rock slip along a ramp through the arch of the foot to form a wedge,and the size of the angle between the sliding failure surface and the horizontal plane determine the range of surrounding rock failure. On this basis,the structural load design and calculation model of the permeability tunnel with ribbed arch beam is established with theoretical analysis of the derivation,and compared and analyzed with the actual monitoring data and the numerical simulation results of construction conditions. The results show that the calculated internal forces distribution of this model can better reflects the variation of the internal force of tunnel structure,have a reliable safety margin,so as to provide a practical and effective design calculation method for the same type of half-dark tunnel structure section design and evaluation of long-term stability.     

浅埋软岩隧道式锚碇稳定性原位模型试验研究

为了研究高拉拔荷载作用下浅埋软岩(泥岩)隧道式锚碇的稳定性(强度特性、变形规律及长期稳定性),以某在建的长江大桥隧道式锚碇工程为依托,开展了缩尺比例为1∶10的浅埋软岩(泥岩)隧道式锚碇原位模型试验(蠕变试验、极限破坏试验)。研究发现:浅埋软岩(泥岩)隧道式锚碇具有较高的承载能力,在设计荷载甚至在高于设计荷载几倍的荷载作用的情况下,其蠕变变形呈现出基本上趋于稳定的趋势,具有一定的长期稳定性。其破坏模式为锚塞体上方的岩体破裂成块体状,锚塞体下方沿与岩体接触面产生整体错动,破坏的下边界为锚塞体与岩体的接触带,锚塞体混凝土未发生破坏。此外,还探讨了在高拉拔荷载作用下,锚塞体地表围岩蠕变变形的空间分布规律以及锚塞体地表围岩、深部围岩各部位的变形规律。研究成果可为类似的工程提供参考和借鉴。     

降雨对浅埋黄土隧道围岩沉降变形影响研究

为了研究浅埋黄土隧道围岩在降雨工况下的沉降变形机理,依托在建银西铁路沿线董志塬区浅埋长段落大断面驿马隧道,基于现场监测数据,对浅埋长段落黄土隧道雨季施工过程中围岩变形量与降雨量的相关性进行了分析,对浅埋黄土隧道围岩和地表沉降变形特征等进行了分析.结果 表明:降雨量对地表变形和围岩变形的发展具有一定的"前瞻性"和"预兆性...     

变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟

 以一定范围内埋深(25～60 m)的3车道公路隧道软弱破碎围岩(公路隧道IV级)为研究对象,研制相似模型材料和配套试验设备,再现开挖后围岩的渐进性破坏全过程,分析不同埋深下围岩的应力场特征。通过模型材料室内试验获取岩体相关计算参数,引入弹塑性损伤本构模型对试验工况进行有限元数值模拟,计算结果与模型试验吻合较好。综合模型试验和数值模拟结果,可以得出以下结论：(1) 围岩破坏区是隧道塌落荷载的来源,主要集中在拱顶上方区域,在两侧边墙下方和拱底也有局部存在;(2) 隧道埋深对围岩破坏区域大小有重要影响,随着埋深的增大,围岩破坏区域呈渐进扩大趋势;(3) 围岩内的周向应力在隧道开挖后先升高而后逐渐降低,其最大值所在位置即对应压力拱位置,且该位置随着破坏区域的扩大而不断向围岩内部移动,形成动态压力拱现象;(4) 通过对围岩内部周向应力最大值的测试来获取隧道压力拱范围,并进而确定围岩塌落荷载大小,这在理论上是可行的。     

地下工程破坏机理认知对工程建设风险的影响

随着岩土力学与地下工程施工技术的发展,尤其是近年有限元极限分析法引入到地下工程稳定分析中,隧洞的破坏机理日益清晰。该文研究了地下工程的破坏机理,采用模型试验和有限元分析法模拟,提出了深埋隧洞围岩破坏与围岩压力主要来自隧洞两侧的观点,以及随埋深而变的隧洞破坏机理,分析了普氏压力拱存在的问题。该文指出当前隧洞建设中事故高于其它土木工程的原因,主要是由于地下工程客观地质环境复杂,以及人们对破坏机理认知不足,对客观条件的掌控能力有限。同时,该文还对隧洞建设中的各种坍塌事故与风险进行了分析,通过实例阐明了隧洞破坏机理认知对隧洞建设风险的影响。     

基于透明岩体的深部隧道围岩变形分析

鉴于当前实验条件,无法直接观测岩体内部的变形演变过程,难以满足对岩体内部全域的变形时间效应与空间特征分析的要求,以透明岩体实验新技术为出发点,对模型隧道周边围岩的内部变形过程进行全程二维数字照相量测,得到深部隧道围岩内部变形的时空演化规律。研究发现:隧道顶部、帮部及底部的岩体径向位移都大致与隧道埋深呈指数衰减关系;隧道拱顶、拱底、左腰和右腰处岩体的径向位移都与顶部荷载呈指数递增关系;随着顶部荷载的增加,隧道顶板岩体最终将沿着两侧拱腰斜方向一定范围内两条弧线而向隧道内发生整体性剪切滑动,导致隧道失稳破坏。研究结果揭示了深部隧道围岩变形破裂时空演化机理,为深部隧道事故防治提供了依据。