高地应力软岩隧道衬砌开窗应力释放技术研究

高地应力软岩隧道容易发生大变形侵限、衬砌开裂、塌方等工程灾害。为解决高地应力软岩隧道大变形问题,提出一种衬砌先开窗卸压,稳定后封闭的应力释放方法,并通过中义隧道现场试验验证了该方法的有效性。试验结果表明:中义隧道赋存较大水平地应力,监控量测水平收敛值大于拱顶沉降值,隧道水平向挤压变形明显;在水平构造应力影响下,隧道边墙产生较大正向应力,边墙处拱架压弯、衬砌开裂风险极高;边墙处开窗可有效释放水平向应力,显著降低围岩变形和衬砌承受荷载。

超大深埋隧道高地应力岩爆施工技术分析

随着我国经济持续快速增长,道路基础设施建设的步伐显著加快,山岭隧道工程作为关键组成部分,其建设规模与深度不断拓展。针对超深埋隧道建设过程中所遇到的高地应力冲击地压岩爆问题,提出了相应的施工工艺和对策。文章详细介绍了在超深埋隧道高地应力岩爆施工中所使用的技术,针对超深埋隧道高地应力岩爆发生的实际状况和爆裂程度,提出了超深埋隧道高地应力岩爆的防治措施,经实践证明,这些措施能够将超深埋隊道高地应力岩爆施工中的岩爆损害降到最低,解决了在我国超深埋隧道高地应力岩爆施工中的技术难题,可为今后超深埋隧道高地应力岩爆施工提供参考。

高地应力综放工作面沿空留巷技术研究

针对高地应力综放工作面回采巷道留巷难度大及围岩变形严重的问题,以11503运输巷为研究对象,提出使用切顶卸压留巷技术,并分析了留巷效果。结合现场留巷情况,主要采用围岩注浆、柔性挡矸支护方式优化留巷段围岩支护效果。工程应用后,11503运输巷留巷段围岩变形得到了有效控制,巷道断面可满足后续使用需求,表明现场采用的留巷技术方案及围岩优化技术措施可满足高地应力综放工作面沿空巷道围岩变形的控制需求。

极高地应力软岩隧道非对称变形机理及支护优化研究

针对极大断面公路隧道施工中出现的非对称大变形问题,考虑高地应力第一主应力与隧道轴线关系、层状软岩夹层与互层状态、掌子面软岩空间不对称、地下水等因素,基于对工程地质条件、围岩与支护结构失效及破坏特征的分析,结合岩样物理力学特性室内试验研究及地应力实测情况,探究了非对称大变形形成机理并提出针对性的支护结果优化方案。结果表明:高地应力层状软岩隧道围岩不对称变形是在岩层倾角α、最大水平主应力与隧道轴线夹角β和岩层夹角γ、围岩岩性和地下水综合作用下的大变形,围岩不对称部位由以上几种因素共同决定;当主应力σ1与隧道轴线既不垂直也不平行时,会产生挤压性偏压构造水平地应力,使隧道横断面侧向受力不对称,发生偏压性非对称大变形;通过改变锚杆的布设方式、提高超前注浆小导管的长度和刚度、喷射临时封闭、在防水板与喷射砼间增加高密度橡塑海绵板缓冲层等措施,可以有效的减少变形量,防止围岩因开挖扰动而松动和坍塌。

高地应力软岩隧道长期稳定性分析

研究目的:高地应力软岩具有明显的流变特性,流变过程中岩体参数随时间发生变化。本文结合梁王山隧道的设计施工方案,采用Cvisc模型对其施工过程及运营期间的围岩和支护的受力和变形情况进行分析,查明了隧道在施工阶段和长期运营阶段的应力、应变和变形特性以及隧道支护结构的内力与变形随时间发展规律。研究结论:(1)在软岩隧道工程施工中,施工时应对隧道初支拱脚处适当加固,控制拱脚变形;(2)不仅要保证施工期的安全,更需要关注隧道在后期运营过程中的长期稳定性;(3)需根据全寿命周期内的围岩流变稳定状态设计支护结构的刚度,从而确保隧道结构长期稳定;(4)本研究成果可为高地应力软岩隧道施工安全和长期稳定性研究提供参考。

高地应力缓斜半煤岩巷道断面形状优化研究

为了优化高地应力缓斜半煤岩巷道的断面形状,以东欢坨矿3018工作面运道为工程背景展开研究。通过复变函数理论推导得出了倾斜煤层中不同断面形状的应力解析解,然后运用FLAC3D数值模拟求解了不同断面形状巷道的应力集中和塑性区情况,并以此为基础确定了巷道最优断面形状,最后结合现场工业性试验对研究结果的可靠性进行了验证。研究结果表明:高地应力作用下缓斜半煤岩巷道破坏呈现非对称形式;不管断面形状如何,巷道均在左、右两底角处呈现高应力集中,且应力集中程度矩形>梯形>直墙拱形;直墙拱形巷道稳定性最佳,梯形巷道次之,矩形稳定性最差,确定直墙拱形为最终巷道断面形状;现场巷道表面位移量监测结果表明,直墙拱形巷道更能满足现场安全生产要求。

鲜水河构造带隧道高地应力区岩爆特性分析

研究目的:青藏高原持续隆升,导致鲜水河构造带及邻区高地应力特征突出,地应力场极其复杂,研究高地应力的孕灾特征有助于隧道岩爆的风险防控,特别是时滞型岩爆的孕灾和致灾机理的研究。本文阐述鲜水河构造带地貌、地层岩性、构造及地应力场特征的孕灾总体认识,通过对该区域隧道近10 km约1300次岩爆统计,从发生概率、等级、埋深、位置、时间、距离等多角度研究岩爆特征,对发生的5次时滞型岩爆和隧道时效性变化特征进行分析,展望后续岩爆研究的重点。研究结论:(1)鲜水河构造带及邻区受高地应力影响,隐伏小微构造发育且无规律,为岩爆创造了特殊的孕灾环境,岩爆发生的随机性大;(2)该区域隧洞岩爆等级以轻微岩爆为主,具有“分区破裂”和脆性变形特征,时滞型岩爆一定程度上具有“继承性”;(3)建议加强沟谷应力场低埋型岩爆和滞后型岩爆或硬岩潜在时效破坏的监测研究;(4)本文研究成果可为类似高地应力环境下岩爆预测和防控提供借鉴。

高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩蠕变试验及非线性蠕变损伤模型

为克服高程障碍并降低施工风险,可采用长大隧道穿越崇山峻岭,但这些隧道往往处于深埋高地应力环境,并受到化学侵蚀影响。为了解决此问题,以丽江—香格里拉炭质板岩大变形隧道为研究对象,采用室内试验和理论推导,研究深埋炭质板岩隧道受化学侵蚀作用下的围岩变形特性。在Poyting-Thomson体蠕变体的基础上,根据模型元件的力学特性,叠加了损伤元件、化学损伤元件和非线性元件,提出高地应力-化学侵蚀耦合作用下炭质板岩非线性蠕变损伤本构关系。研究结果表明:1)炭质板岩试样受化学侵蚀影响显著,侵蚀90 d试样所产生的轴向蠕变应变为侵蚀0 d试样的2.02倍,侵蚀60 d试样所产生的径向蠕变为侵蚀0 d试样的1.85倍;2)受侵蚀的炭质板岩试样在三轴压缩状态下破裂以斜向贯通裂隙为主,并产生一定的滑移错动裂隙,且沿轴线的拉伸劈裂破坏受围压作用抑制明显,未产生竖向贯通裂隙。

深埋高地应力TBM隧道岩爆倾向性影响因素分析

研究目的:岩爆灾害在深埋高地应力硬岩隧道建设过程中最为突出,因此明确影响岩爆发生的主要因素对岩爆灾害的预测和防治有重要意义。本文以西南地区某新建山岭TBM隧道为工程背景,在对岩爆发生条件总结分析的基础上,基于FLAC3D软件建立TBM隧道掘进数值模型,分析地应力和围岩强度对岩爆倾向性的影响;然后采用博弈组合赋权-灰色关联分析的方法确定不同因素对岩爆倾向性的影响程度。研究结论:(1)高储能脆性岩体、足够能量来源和工程开挖卸荷为隧道岩爆的产生条件;(2)岩爆倾向性随着埋深的增大逐渐增加,侧压系数<1.0时,边墙处岩爆倾向性最大;侧压系数>1.0时,拱顶(拱底)处岩爆倾向性最大,随着侧压系数的增大,拱顶和拱肩处岩爆倾向性逐渐增加,边墙处岩爆倾向性逐渐减小;(3)岩爆倾向性随着黏聚力的增加呈小幅增大,内摩擦角较小时,随着内摩擦角的增加岩爆倾向性逐渐增大,但内摩擦角越大其对岩爆倾向性影响越小;(4)不同因素对岩爆倾向性的影响程度为:埋深>内摩擦角>侧压系数>黏聚力;(5)本研究成果可为高地应力隧道岩爆预测的影响因素确定提供支撑,同时也可为岩爆灾害防治提供借鉴。

极高地应力硬岩隧道变形规律及施工优化研究

依托重庆市巫镇高速宝山隧道工程,采用数值模拟方法开展极高地应力无仰拱硬岩隧道的变形规律和施工优化研究,对不同施工工法、施工步距进行了比选。研究表明:1)不同施工工法隧道变形规律基本一致,竖向位移大于水平位移且基底隆起较拱顶沉降更明显,全断面法施工隧道变形收敛速度最快;2)不同施工工法均为基底应力释放程度最大,释放后基底应力仅为初始的55%,且全断面法拱脚处应力集中范围最小;3)隧道周围的岩体以拉伸破坏为主,部分位置存在剪切破坏,施工工法对塑性区的水平影响范围有限;4)该隧道选用全断面法施工可行且较经济。全断面法不同施工步距变形及应力分布基本规律相同,施工步距越大,水平竖向位移越大,拱脚处应力集中越显著,最小主应力值也越大,综合考虑现场施工建设速度、变形收敛情况、应力分布状态,采用1.6 m步距较经济合理。

深部极高地应力花岗岩隧道岩爆破坏特征及成因机理研究

深部极高地应力花岗岩隧道施工过程中,岩爆灾害异常突出,硬岩岩爆不同程度地造成岩体片状剥落、棱板状破裂、岩块抛掷及强烈弹射等。为了揭示花岗岩隧道岩爆成因机制,综合地质调绘、监控量测、岩爆实录统计、室内岩石力学试验、微观分析和数值模拟分析等方法对隧道高地应力及岩爆的形成、破坏特征及影响因素进行探讨分析。根据现场岩爆实录统计分析,花岗岩隧道岩爆破坏特征复杂多样,发生时间集中,高水平构造应力使靠近雅鲁藏布江河谷一侧岩爆烈度显著增大,大埋深高自重应力导致岩爆主要分布在隧道掌子面和拱顶。基于钻孔实测地应力数据和初始地应力场反演分析,发现花岗岩隧道地应力场由构造应力和自重应力共同主导,隧道沿线82.0%的区段处于高到极高地应力状态,为岩爆的发生提供内动力地质条件。室内岩石力学试验表明二长花岗岩和花岗闪长岩均具有中等岩爆倾向性,厚层状、强度大、刚度高、完整性好的岩体为岩爆提供充足的物源条件。受控于雅鲁藏布江缝合带地质构造作用以及新生代岩浆活动作用影响,花岗岩隧道呈现高地温特征,地温梯度为5.5℃/100 m,最高实测地温达到89.6℃,高温热力耦合作用加速岩爆发生并提高岩爆危险性等级。隧道施工工艺会改变围岩应力重分布,影响围岩的应力集中,造成一定的尺寸效应,影响岩爆发生的烈度等级、时间和空间分布。

高地应力蚀变花岗岩隧道大变形特征及成因分析

西部山区某蚀变花岗岩隧道施工过程中,围岩大变形不同程度地造成喷射混凝土剥落、钢架扭曲变形、钢拱架断裂、初支变形侵限以及隧道内坍塌等。为揭示蚀变花岗岩隧道围岩大变形的孕育机理,通过岩石试验、监控量测、数值计算分析和地质综合分析等多种方法,对蚀变花岗岩隧道高地应力及大变形特征、影响因素进行探讨分析。蚀变花岗岩隧道工程区受构造影响强烈,蚀变特征显著,岩体结构疏松,蚀变花岗岩地层为大变形提供充足的物源条件。隧道现场监控量测显示发生大变形的蚀变花岗岩区段与地下水紧密相关,蚀变花岗岩中的伊蒙混石、绿泥石等亲水性矿物成分含量较高,遇水极易崩解,使得岩体抵抗变形的能力大幅降低。结合隧道地质条件和地应力测试,反演分析了隧道初始地应力场,发现蚀变花岗岩隧道以水平构造应力为主,隧道沿线多处于高地应力状态,为大变形的发生提供内动力地质条件。根据隧道开挖过程中发生的支护变形及监控量测分析,复杂地质条件对隧道设计的影响以及施工工艺与支护结构的质量是引起围岩大变形的重要主观因素。

高地应力特大断面隧道的适宜施工工法

为探索高地应力特大断面软岩隧道的适宜施工方法,以桐梓隧道为工程背景,通过现场监测和数值模拟,探索不同高地应力下的3种施工工法[三台阶、CD(cross diaphragm)法、双侧壁导坑法]的适宜性,从围岩变形、施工成本以及施工进度等方面评价施工方法的优劣。结果表明:Ⅴ级围岩:当隧道埋深为300、400 m时,适用三台阶法施工;当埋深为500 m时,适用CD法施工;当埋深为600 m时,适用双侧壁导坑法施工。Ⅳ级围岩:当隧道埋深为300~600 m时,都适用三台阶法施工。

深埋高地应力TBM隧道岩爆发生机理研究

为分析高地应力隧道岩爆发生机理,以西南山区某新建TBM隧道为工程背景,通过室内岩石力学试验分析围岩基本力学特性,然后基于弹性力学理论建立板裂屈曲岩爆的力学失稳模型,最后通过离散元UDEC软件对隧道岩爆演化过程进行分析。结果表明:①隧道围岩满足发生岩爆的岩性条件,岩爆倾向性为中等~强烈;②拱顶板裂屈曲岩爆可视为围岩板裂结构在水平切向应力作用下断裂失稳所导致,劈裂岩体厚度为岩爆主要影响因素;③隧道开挖卸荷后洞壁围岩开裂剥离弹射破坏主要是张拉破坏造成。为保障隧道施工安全提供理论依据。

高地应力断层破碎带富水段隧道帷幕注浆效果及注浆圈参数研究

周边超前预注浆加固是改变裂隙岩体物理力学性能和渗透性能的有效方法,以鸡心岭隧道工程为例,通过数值模拟分析了周边预注浆加固前后、不同注浆圈厚度和注浆圈渗透系数对围岩渗流场、位移场、塑性区及支护受力的影响规律。结果表明:1)周边超前预注浆加固能有效降低初期支护静水压力,减小围岩塑性破坏范围和洞周位移,并使得隧道涌水集中发生在拱脚位置;2)注浆圈厚度超过8 m后,继续增大注浆圈厚度对围岩位移的影响较小;3)降低注浆圈渗透系数可有效降低隧道涌水量,但会增大围岩变形。

高地应力软岩隧道初支侵限诱因及控制措施研究

高地应力软弱围岩隧道施工易发生软岩大变形不良地质灾害,进一步引发掌子面失稳塌方、初支结构破坏、钢拱架弯折、初支结构侵限等不良现象,严重影响施工安全,阻碍工期。依托九绵高速白马隧道工程,结合工程特点,从围岩自身力学特性及高地应力软岩变形特征方面深入分析了白马隧道初支侵限机理,并针对此特点,提出了一套适用于软岩大变形初支结构侵限专项施工方案。研究结果表明,由于地下水的侵蚀,炭质千枚岩发生软化,岩体力学性质变差,自承能力降低,在高地应力持续作用下,围岩发生挤压大变形,进一步诱导初支侵限。变更支护方案后,6 m锚杆结合小导管注浆加固对围岩变形有一定控制作用,但6 m锚杆无法将松动区岩块锚固在稳定母体中,不能充分发挥锚杆悬吊能力,对围岩变形控制效果有限,无法满足现场围岩变形需求,建议采用8 m长锚杆。初支拆换过程中应实时监测围岩变化情况,明确围岩变化方向、速率、累计值等,并根据现场实时监测数据反馈施工,实时调整支护参数,确保施工质量。

高地应力软岩地层敞开式TBM法隧洞围岩变形控制技术——以香炉山隧洞为例

为解决敞开式TBM在滇西地区高地应力软岩地层施工中遭遇围岩大变形而导致的支护破坏、设备频繁被卡、隧洞侵限等工程难题,通过分析围岩允许变形量与变形规律,提出围岩控制时空原则:有效初期支护施作时间为开挖后15 d内、空间位置为距掌子面30 m范围内,TBM掘进日进尺不低于2 m/d。通过不同类型的支护结构现场试验,得出控制围岩变形的有效措施为预应力长锚索主动控制变形、灌混凝土箱体H型钢拱架被动强支撑。另通过滇中引水香炉山隧洞敞开式TBM施工实践,开发出“掌子面位置刀盘扩挖预留允许变形量、围岩出护盾灌混凝土箱体拱架被动强支撑、隧洞上半圆前置式自动化喷混凝土早封闭、预应力长锚索主动控制深层围岩变形、隧洞底部自进式锚杆后补强”等围岩变形有效控制技术。

高地应力环境下跨活断层隧道抗错断铰接设计试验研究

当活动断层发生错动时,穿越活动断层的隧道会发生不同程度的破坏。以往的研究大多未考虑隧道埋深、高应力对跨活断层隧道的影响,结果不太能贴切实际。充分讨论了解决深埋隧道抗错断问题的必要性,通过跨活断层隧道模型试验,对比深埋隧道与浅埋隧道的破坏差异,并通过深埋铰接隧道错断试验,分析了隧道外部应力变化、衬砌应变与破坏形态。结果表明:(1)在深埋与浅埋环境下隧道整体变形皆呈“S”型变形,破坏较严重的区域都集中在断层带位置,其中深埋隧道的破坏模式主要以剪切拉伸破坏为主,产生了较大的挤压变形,破坏区域较大,而浅埋隧道主要以剪切破坏为主,在跨断层位置隧道被剪断。(2)在对深埋隧道进行铰接设计后,隧道由“S”型变形转化成“阶梯”型,隧道应变与外部岩体应力峰值得到降低,破坏程度显著减小。(3)通过对隧道衬砌裂纹分布分析,发现无铰接隧道为贯穿型破坏,裂纹影响至整个衬砌,铰接隧道裂纹影响范围约占隧道总长的66.6%,短铰接节段隧道裂纹影响范围约占隧道总长的33.3%,故深埋环境下采用更短的铰接节段对隧道的抗错断效果更佳。(4)通过对比前人研究的浅埋铰接隧道得出,浅埋铰接隧道在断层带外也会发生变形,而深埋铰接隧道破坏主要集中在断层带内位置,因此对于深埋隧道抗错断保护措施应当多集中在断层带位置。

高地应力条件下隧道多力学特性锚杆模型及应用研究

为解决FLAC3D中Cable模型无法模拟锚杆(索)断裂失效,因而难以合理分析复杂地质条件下围岩稳定性的问题,采用数值计算手段对锚杆模型进行改进,提出锚杆(索)的失效判据,基于FISH语言修正Cable模型法向及锚固剂轴向本构关系,并将算法嵌入到运行程序中。结合Link模型构建多力学特性锚杆模型(MMC模型),并通过开展锚杆拉拔及模拟试验,对MMC模型进行验证。以月直山隧道工程为背景,构建隧道支护算例,对比Cable模型及MMC模型在工程模拟分析中的应用效果。结果表明:1)修正后的锚杆及锚固剂轴向本构模型包含破坏失效阶段,符合锚杆实际力学行为;2)锚杆拉拔试验模拟结果和真实试验结果接近,最大误差为2.9%,说明MMC模型能够合理模拟真实锚杆的受力及失效破坏特征;3)MMC模型在工程模拟中能直观地展现破断失效位置,且能够模拟锚固系统失效,而Cable模型在锚杆达到破坏条件后仍持续为围岩提供支护力,计算结果与实际存在较大偏差;4)MMC模型扩大了FLAC3D的应用范围及适用性,提高了锚杆支护的模拟能力。

中天山花岗岩深埋隧道高地应力测试及工程影响分析

文章系统介绍了水压致裂法测试地应力的基本原理及过程,并采用水压致裂法测试了奎先隧道深埋钻孔地应力,揭示了中天山奎先达坂区的地应力场特征,获得了该区域地应力的变化规律。针对地应力测试成果,采用回归分析法建立了最大水平主应力S_(h)、最小水平主应力S_(h)、自重应力S_(h)与埋深h的函数关系,并基于回归函数和各项岩爆判别法预测了该隧道最大埋深处的三向应力及隧道岩爆等问题。研究结果表明:(1)埋深0~436 m时三向应力的大小为最大水平主应力S_(H)>最小水平主应力S_(h)>自重应力S_(V);埋深436~1221.178 m时最大水平主应力S_(H)>自重应力S_(V)>最小水平主应力S_(h);(2)基于各项岩爆预测判别法判别该隧道开挖时会发生轻微—中等的岩爆;(3)隧道采用马蹄形截面时,其最大应力值最小,同时拱顶的最大应力值小于圆形和直墙拱形截面;(4)奎先隧道工程区内最大主应力方向对拟建隧道围岩稳定是有利的。