富水软岩隧洞变形特征及变形机制分析

 基于库尉引水隧洞现场监测资料,对富水软岩隧道的变形特性及变形机制进行分析。研究表明：侧墙收敛变形是拱顶沉降变形的2～3倍,且前者稳定时间长。土质软岩隧道的变形受时空效应综合作用的影响,即使在开挖面影响范围之内,时间效应也能产生很大比例的变形。侧墙变形受空间效应影响范围为4D～5D,与拱部变形相比,其时间效应更为显著。围岩–支护结构的变形在不同部位的特性主要是由各部位的围岩变形方式和应力释放规律所决定的,侧墙处围岩应力释放时间效应明显,塑性区不断增长发展,形变压力也随时间增长难于稳定。拱顶处存在一定深度范围内的围岩整体下沉现象,围岩压力稳定时间短。该研究对软岩隧道施工、监测具有一定指导意义和参考价值。     

挤压性破碎软岩隧道大变形特征及机制研究

在高地应力软岩地层中开挖隧道,易引发挤压性大变形,是隧道建设中的主要难题之一。依托成(成都)兰(兰州)铁路茂县隧道,通过岩石试验和现场测试,分析茂县隧道的变形特征及破坏模式,研究挤压性软岩大变形隧道的变形和支护作用机制。研究结果表明:高地应力软岩隧道施工期间围岩变形量大、速率快,围岩的挤压流动现象明显,变形持续时间长;围岩松动圈层数多、范围广,拱部锚杆受压,与围岩形成"压缩带",共同承载;支护结构承受较大的围岩形变压力,初支钢架多为"屈服承载"或破坏,破坏形式多样,但位置集中;围岩以剪切破坏为主,裂隙扩容现象明显,注浆对加固围岩及保持锚杆作用效果显著;多层支护可有控制的释放围岩变形,改善结构受力,降低围岩流变特性的影响。     

高地应力软岩隧道有限元仿真与工程应用

高地应力软岩隧道开挖过程中围岩自稳能力差,极易出现坍塌、冒顶等大变形灾害,选择合适的施工工法至关重要。以某高地应力软岩隧道为对象,基于有限元仿真模型,结合现场监测结果,分析了采用上下台阶分步法施工时高地应力软岩隧道围岩及支护结构的力学行为。分析表明:(1)上下台阶分步法施工适合于高地应力软岩隧道开挖,具有围岩变形小、安全可靠的优点;(2)开挖时,围岩塑性区由边墙两侧拱腰向拱部和仰拱位置逐渐扩展;(3)由于洞顶、拱底均向洞内收敛,致使两侧腰处承受较大压力而向外扩张。两侧腰处围岩竖向应力较大,而洞顶和拱底附近则水平向应力集中。同样的,支护结构在两侧腰处承受较大拉应力,而在洞顶、拱底位置承受较大压应力。     

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。     

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。     

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。     

深部软岩隧道施工性态时空效应分析

随着我国交通事业的迅速发展,在深部岩体中修筑隧道工程已必不可少,随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出。主要对深部软岩隧道工程中施工力学性态和变形时空效应进行三维非线性黏弹性数值模拟,并将计算结果与现场实测数据进行比较验证。研究结果表明,计入围岩流变效应,考虑深部软岩隧道时空效应影响,在作业面影响范围内,开挖面空间效应占主导因素,围岩应力随距作业面距离的加大而逐步释放;在此范围外,软弱岩体流变属性得以充分发挥。通过分析和施工实践证明,对于深埋软岩隧道应尽早施作衬护,以改善承载环范围内围岩受力,减少扰动,提高围岩自承能力;由于软岩流变效应显著,必须适时设置二次衬砌以承受来自围岩的后期流变压力,限制围岩大变形。研究成果丰富了地下工程施工力学理论,可应用于工程实践。     

“红层”软岩隧道进口段CRD法数值模拟及现场实测研究

受岩体赋存条件、隧道设计和施工方案等因素的共同影响,软弱围岩在隧道开挖应力重分布过程中较易发生塌方破坏,尤其是在隧道洞口段部分。本文结合具体工程实践,对软岩隧道进口段CRD法施工过程进行了非线性数值仿真模拟和现场实测分析,在此基础上开展了隧道围岩和支护结构的施工力学行为和变形性状的研究。研究结果表明:(1)由于隧道围岩较为软弱,隧道施工对周边围岩变形影响较大,纵向约2倍洞径、横向一倍洞径为施工的强烈扰动区域,施工时应加强支护;(2)隧道施工后,拱顶处围岩应力由于围岩变形释放使得其值大幅度减小,而拱腰处岩体应力上升,并出现塑性破坏,故在实际施工时应对该部位加强支护;(3)采用CRD法施工后,实测围岩变形在隧道开挖约20天后趋稳,而围岩压力、钢拱架和初期衬砌受力均在隧道开挖后的前10天内受力增幅最为明显,之后才逐渐趋稳。     

软弱隧道围岩拱顶塌方及锚杆支护效应试验研究

为研究软弱岩体中隧道开挖引起的围岩失稳破坏特征以及锚杆的加固效应,以IV级围岩为参照对象,开展一系列无锚杆和有锚杆支护条件下的隧道开挖地质力学模型试验,并对拱顶围岩的位移、应力和宏观破坏形式的发展变化规律进行分析。研究结果表明:(1)隧洞开挖后,围岩破坏始自隧道两侧拱脚,渐次向上延伸并塌落成拱;(2)由于锚杆的悬吊挤压作用及其与岩层的组合梁效应,显著减少了拱顶岩体塌落范围;(3)锚杆通过对岩体施加黏锚力,提高了锚固范围内岩体的强度和韧性,有利于增强围岩的承载能力和抵抗变形能力;(4)锚杆支护对围岩应力分布起调节作用,使得围岩能在较高的能量状态下获得稳定平衡,并延缓了围岩进入"软化"阶段。上述研究成果可为软弱隧道围岩稳定性评价以及支护结构的设计与施工提供一定的借鉴和参考作用。     

考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解

高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷后,断面周边围岩的径向应力急剧降低,围压从围岩深部至隧道洞壁急剧衰减,不同位置岩石的应变软化和剪胀扩容受围压效应的控制。基于三维H-B强度准则建立考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解计算方法,并依托中老铁路新华隧道计算深埋滇中红层软岩隧道的挤压变形,讨论围压效应和中主应力对围岩应力–应变特征、强度软化特征和剪胀扩容特征的影响,探讨围压效应在不同峰值强度、原岩应力和支护反力下的敏感性。研究结果表明：围压效应通过降低岩石的临界塑性偏应变η^*和增大岩石的峰值剪胀扩容系数K_ψ^p,从而加剧围岩的软化和剪胀程度,进而加剧隧道的挤压变形;中主应力会降低围岩的软化程度,加剧围岩的剪胀扩容,但整体上能有效抑制深埋软岩隧道的挤压变形;岩石峰值强度越低、埋深地应力越大时,隧道的挤压变形受围压效应的影响程度越高。因此分析高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷的力学响应时,不能忽视围压效应的影响;支护反力能有效抑制效围压效应对隧道挤压变形的影响,在深埋软岩隧道的施工建设时应及时施作支护结构约束围岩的变形。     

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。     

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。     

超大断面隧道软弱围岩卸荷渐进破坏特性研究

以深圳市东部过境高速公路连接线工程为背景,针对谷对岭“Y”形喇叭口大断面分岔隧道,通过室内地质力学模型试验和数值模拟等手段,对大断面隧道围岩的渐进性破坏过程、岩体内部变形和应力变化规律进行了研究。研究结果表明:软弱隧道围岩的破坏是始自拱腰以下的岩体,而后自拱腰向上继续扩展成拱,为此必须要对拱腰以下岩体施作锁脚锚杆,从而制止岩体的初始剪切破坏;当采取左右导洞分块开挖时,后开挖导洞会引起既有洞室围岩的破坏,因此需要对导洞之间的隔墙进行加固;拱顶上方0.95B（B为隧道跨度）范围内的岩体变形受到隧洞开挖影响,但最终塌落成拱的高度为0.55B;隧道开挖后,拱顶上方岩体应力升高区主要集中在0.4B~0.95B的范围内。     

跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟

 断层及其破碎带是隧道开挖过程中常见的不良地质现象,也是围岩不稳定且容易出现事故的地段。以山区隧道施工中常见的IV级围岩为参照对象,利用地质力学模型试验和数值模拟研究跨断层隧道施工过程中围岩的渐进性破坏过程及其受力变形特性。研究结果表明：(1) 位于拱顶之上的断层下盘岩体在隧道开挖后呈悬挑状态,且在靠近断层部位易出现拉裂缝;(2) 隧道开挖使得上覆荷载向隧洞左、右两侧转移,从而导致拱腰以下的岩体往往率先剪切破坏,尤以断层下盘一侧岩体为甚;(3) 隧道开挖将引起围岩应力重分布,若调整后的围岩应力超出岩体自身强度极限时,洞周岩体就会塌落成拱,且位于塌落范围内的岩体切向应力呈“跌落式”下降,此特征可用于判断岩体塌落范围;(4) 隧道开挖后,由于断层的阻隔作用,岩体应力在跨越断层上、下盘时呈不连续、非线性分布的特征。     

软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏试验研究

 利用相似模型试验对深埋隧道围岩渐进性破坏特征进行研究。相似模型针对大断面、软弱破碎、深埋铁路隧道围岩。模型材料选择重晶石、石英砂、凡士林按一定比例配制而成。采用自主研发的平面应变模型试验台、气囊加载装置和千斤顶加载装置作为加载系统。利用白光散斑方法监测系统监测加载过程中隧道围岩表面应变场演化规律,利用压力盒监测加载过程中围岩压力的变化。试验结果分析表明：(1) 隧道拱腰处在逐渐加载过程中形成剪切的V型楔形体,拱顶没有破坏但产生较大拉伸变形。拱腰处的剪切破坏范围逐渐扩大到拱顶,最终在拱顶上方形成剪切的拱形裂纹。(2) 拱腰近洞壁一定范围内径向压力先增加后减小说明该处存在松动区,围岩深处存在切向压力升高区对应压力拱拱体;拱顶上方近洞壁存在径向压力减小区域对应松动区,围岩深处最大主应力方向发生偏转,该处对应压力拱位置;深埋隧道围岩受力分区特征为松动区–压力拱拱体–原岩应力区。     

单斜构造软硬互层围岩隧道变形特征及控制对策

为探究单斜构造软硬互层围岩隧道在不同岩层倾角下的变形特征,以渭源至武都高速公路木寨岭隧道工程为依托,对炭质千枚岩和砂质板岩互层围岩隧道开展了现场调研和现场监测,分析了隧道变形特征及影响因素; 利用有限差分软件FLAC 3D建立三维数值模型,研究了不同岩层倾角下的隧道变形规律; 针对不同的变形特征,总结了针对性的隧道变形控制措施。结果表明:隧道变形主要受岩层倾角和地下水影响,在单斜构造地层条件下隧道呈现出明显的非对称变形,隧道一侧岩层易发生弯曲变形和破坏,建议采用“非对称布设和长-短组合搭配”的预应力锚索对围岩进行主动加固; 在地下水汇集的情况下,隧道另一侧岩层易沿弱面发生顺层滑移破坏,应注意排水,避免地下水在初期支护背后汇集,减小地下水对围岩稳定性及初期支护变形的影响; 当岩层倾角小于50°时,隧道变形表现为沉降大于水平收敛; 当岩层倾角大于50°时,隧道变形则表现为水平收敛大于沉降; 隧道最大沉降随岩层倾角呈三角函数规律变化,当岩层倾角为40°～50°时,隧道沉降达到最大值; 最大收敛变形随岩层倾角呈指数规律变化,即岩层倾角越大,隧道收敛变形越显著。     

高地应力深埋隧道断裂破碎带段大变形控制现场试验研究

丽香铁路中义隧道出口平导玉龙雪山西麓断裂破碎带段围岩软弱、破碎,受高地应力及断裂破碎带影响严重,边墙大变形灾害突出,以此为研究背景,开展了4种围岩大变形控制措施的现场试验研究。试验结果表明:采用普通加强支护措施(工况1),无法控制该段围岩变形;采用"抗放结合"控制措施,下部围岩应力释放需缓释,采用工况3(双层支护+下台阶、仰拱分开施作)方案,试验段围岩应力得到较好控制,但其工序繁琐,施工进度缓慢;采用"强支"理念的工况4(单层支护+加强拱架+预留应急加固措施)方案,最大日变形速率、累计最大变形量均最小,分别为3.2 cm/d和62.2 cm,试验段全长围岩累计变形量在可控范围内,施工工序较为简单,施工月进尺可达90 m以上;考虑到平导需发挥超前作用,建议中义隧道出口平导玉龙雪山西麓断裂破碎带段采用工况4方案进行施工。研究结果可为类似工程提供参考。     

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。     

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。