高地应力偏压软岩隧道施工间距及洞形探讨

为探究高地应力偏压软岩隧道合适施工方案,从华丽高速东马场1隧道高地应力偏压软岩引起的衬砌及仰拱非对称变形破坏出发,通过数值模拟对比不同隧道净距、顺序、纵向步距下洞周变形与塑性破坏规律,并探讨局部扩挖洞形的可行性,得出适宜的关键参数。研究结论:(1)由于后行洞对先行洞扰动,先行洞位移大于后行洞,且两者差距随净距增大逐渐减小,当净距大于3D时相互扰动效应消除;(2)偏压侧先行的洞周位移、塑性区大于偏压侧后行,净距为3D时偏压侧后行洞周变形减少23.87%,因而推荐偏压侧后行方式;(3)随着两洞掌子面距离增加,后行隧道洞周变形由于先行隧道“庇护”而减小,先行隧道洞周变形增大,掌子面距离大于50 m时“庇护”减弱,因此推荐采用≯50 m的掌子面距离并加强先行隧道支护强度;(4)偏压侧局部扩挖的洞形会导致洞周塑性区增大并有向拱底偏压侧发展的趋势,同时洞周变形均有不同程度增大(最大10%),局部扩挖洞形方案不可行。

新建公路与铁路隧道小净距交叉段施工方案研究

为探明公路与铁路小净距交叉段近接施工的相互影响及合理施工方案,依托甬舟公铁路隧道大交角小净距交叉段与小交角小净距交叉段,通过数值计算分析小净距隧道施工扰动、施工顺序、二衬施作时机、施工工法等影响,确定小净距交叉段的合理施工方案。研究得出以下结论:针对大交角极小净距交叉隧道,塑性区发生贯通,初支应力出现在交叉隧道连线;为减小塑性区、初支受力与二衬受拉,并避免铁路隧道拱顶隆起及公路隧道拱腰收敛过快增长,选择先铁路后公路的顺序;为减小支护受拉、横通道锚杆受力与铁路隧道初支受压并避免应力偏移选择全断面施工;针对小交角小净距交叉隧道,塑性区集中于隧道上下侧及交叉隧道中夹岩,交叉隧道水平变形连通并在公路隧道拱顶发生较大初支变形。先开挖铁路隧道塑性区分布及围岩隧道受力变形更优,在公路隧道开挖后再施作二衬会增大铁路隧道四周及拱底塑性区并造成围岩隧道受力变形增大,全断面在锚杆受力及隧道变形上最优因而被选用。

小净距三洞并行公铁隧道近接施工及爆破振动影响研究

依托甬舟公路孙家湾1号隧道与甬舟铁路牛皮岭下隧道并行段,通过数值计算,对三洞并行隧道中间铁路隧道先行情况下,公路隧道施工顺序、二衬施作时机及工法步距开展研究,并探究了公路隧道爆破对中间铁路隧道二衬的影响,对孙家湾1号隧道的安全净距及在不同工况下的振速进行研究。主要研究结论为:(1)塑性区集中在开挖范围中下部及公路右线与铁路隧道中夹岩处,中间铁路隧道受公路隧道开挖扰动影响左右拱腰产生较大水平变形;(2)小净距三洞并行隧道中间铁路隧道先行,宜采用公路左线-公路右线的开挖顺序,铁路隧道二衬施作完后再施工公路隧道,采用CD法施工,并设置公路左右线步距为50 m;(3)对不同围岩级别、开挖进尺、工法的9种工况爆破施工对中间铁路隧道二衬影响进行探究,得出各工况下振速传播路径、最大部位、振速数值是否满足要求,并对爆破施工提出针对性意见;(4)Ⅳ级围岩、采用CD法施工,孙家湾1号隧道爆破施工极限安全净距为11.5 m,净距小于11.5 m时建议采用机械开挖。

不同大变形等级下层理角度对层状软岩隧道的影响

为探究不同大变形等级下层理角度对层状软岩隧道的影响,依托九绵高速全线软岩大变形隧道,通过岩石力学试验确定遍布节理模型参数,基于数值模拟,探究不同软岩大变形等级(轻微、中等、强烈)下层理角度对层状软岩大变形隧道围岩及支护体系受力变形的影响,并通过现场统计的层理角度与大变形情况对数值模拟结果进行验证。结果表明:1)层理小角度(0°、15°)与大角度(90°)围岩变形、支护结构受力变形较大,随着大变形等级的增大,层理角度引起的围岩支护变化效果越明显。2)随着层理角度的增大,围岩变形从拱底逐渐转移到右拱腰。围岩变形主要发生在隧道轮廓与层理面相切位置,其中拱底及左拱脚对层理角度变化较敏感。3)初支应力偏向及节理塑性区大致与层理弱面法向一致,随着层理角度的增大,节理的剪切塑性区由拱顶、拱底转移到左拱脚、右拱肩,最终偏移到左右拱腰上下位置;相比初支压应力,初支拉应力对层理角度更敏感,垂直节理增大了张拉剪切破坏塑性区贯通的风险,但剪切破坏塑性区半径反而有可能减小。4)现场的统计规律表现为小角度与大角度大变形等级较高,层理角度为60°以下时,岩层破坏发生在拱腰及拱肩处,随着层理角度的增大,有向拱肩发展的趋势,大角度层理时岩层破坏主要发生在拱腰处。

层状软岩隧道超前支护及锚杆定向预加固研究

为探究适应大变形隧道层理特性的定向预加固方法,依托九绵高速大变形隧道,通过岩石试验确定围岩参数,在数值模拟中验证了不同大变形等级及平纵层理角度下通过调整锚杆、超前支护施作角度与小导管间距的定向加固方法效果,3种大变形等级的现场试验段隧道变形均有较明显提升,验证了该方法适用性。结果表明:(1)支护压应力来自围岩变形挤压作用,锚杆、超前支护优化影响锚杆、小导管受力进而改变支护受拉,锚杆小导管优化效果随大变形等级增加而增强;(2)平面层理下,锚杆施作角度定向加固效果显著,强烈大变形采用双层小导管时可考虑超前定向加固,不同层理角度对锚杆、超前支护优化敏感性不同;(3)纵向层理斜向下时,通过增大小导管与纵向层理夹角而进行外插角定向优化;(4)纵向层理斜向上时,寻找围岩变形随小导管间距减小变化速率转折点从而确定最优间距,大变形等级越高、纵向层理倾角越大,最优间距越小。

不同大变形等级层状软岩隧道施工关键技术研究

为探究不同大变形等级层状软岩隧道施工方案,依托九绵高速全线大变形隧道,根据现场施工及效果初步设立对比工况;通过试验确定围岩参数,采用数值模拟对不同工况围岩支护受力变形进行比选验证,确定不同大变形等级工法、超前加固、支护方案,并通过现场施工及结构受力情况进行验证。结果表明:现场大变形等级与变形量表现出聚集性;轻微大变形在拱顶、拱腰处变形接近,中等、强烈大变形集中于拱顶或拱腰;轻微大变形宜采用二台阶法,采用加强单层小导管以及长短锚杆结合的方式意义不大;中等大变形宜采用三台阶法,并采用单层小导管(∅51,长6 m)以及长短锚杆结合的方式;强烈大变形宜采用三台阶留核心土法,扩大拱顶注浆范围并采用双层初期支护,视工程重要性选用双层小导管以及中管棚的超前加固方式。

高地温高应力隧道岩爆特征及机制研究

为探明高地温高应力隧道岩爆的破坏形式、时空分布特征以及岩爆高发段初始地应力、洞周二次应力和温度分布变化等特征,以川藏铁路拉林段桑珠岭隧道为依托,通过岩爆实录统计分析、现场测试和数值计算,探讨高地温高应力隧道岩爆机制。研究结果表明:高地温高应力隧道主要为即时型岩爆,在不同埋深段分别以剪切断裂型岩爆、应变型岩爆和断层滑移型岩爆为主;隧道拱顶、掌子面和边墙处岩爆形迹和破坏分别呈现不同特征,围岩降温区与剥落岩片厚度接近,开挖卸荷及降温耦合作用加剧了板裂化结构面的形成并加速了岩爆的发生。研究成果有助于准确预测类似高地温高地应力隧道的岩爆发生,并对制定有效的防治措施提供依据。

基于交叉验证的XGBoost算法在岩爆烈度分级预测中的适用性探讨

为解决机器学习算法在样本较少时,所得岩爆烈度等级的预测结果存在可靠性不足的问题,采用一种基于交叉验证的XG-Boost算法,并讨论其适用性。先选取岩石单轴抗压强度σc、单轴抗拉强度σt、洞室围岩最大切应力σθ、岩石弹性变形指数Wet以及岩体完整性系数KV等5个评价指标;再以国内外岩爆实例数据为样本,通过多次交叉验证计算XGBoost算法岩爆预测准确率,与支持向量机算法、随机森林算法所得准确率比较;最后对评价指标重要性进行分析。结果表明:1)在样本较少时,样本划分和排序的随机性对预测结果影响较大,通过多次交叉验证求取预测结果平均值,可提高结果可靠性;2)评价指标中KV与σθ重要性最大,σc重要性最小;3)XGBoost算法具有较高的预测准确率,在岩爆烈度分级预测中具有一定适用性。

基于应力判据法的拉林铁路岩爆烈度分级

把现有的判据直接应用于拉林铁路某一隧道的岩爆预测不能得到符合现场实际情况的岩爆预测结果,为了制定针对拉林铁路全线的岩爆烈度分级方案及应力判据,以拉林铁路桑珠岭隧道现场岩爆发育特征和规律、岩爆破坏形迹及kNN(k近邻分类)算法为基础,进行现场洞壁二次应力量测、现场岩样点荷载试验、基于二次修正地应力场的开挖模拟,提出了针对拉林铁路的岩爆烈度分级方案及应力判据,在通过桑珠岭隧道的岩爆预测准确性验证后将判据推广应用于拉林铁路典型岩爆隧道(祝拉岗隧道、达嘎拉隧道、岗木拉隧道)的岩爆预测中,并与现有判据的判定结果进行对比分析.研究结果表明:针对拉林铁路而言,卢森判据会低估轻微岩爆的发生,但对中等岩爆的判定较好;王兰生判据判定的岩爆等级主要集中在轻微岩爆,没有正确判定实际发生的中等、强烈岩爆,表明其容易低估实际岩爆等级;关宝树判据判定的岩爆等级主要集中在强烈岩爆,基本没有正确判定实际发生的轻微、中等岩爆,容易高估实际岩爆等级;拉林铁路岩爆判据除了对中等岩爆的判定能力与卢森判据持平外,其各等级岩爆预测结果准确率均大于其余判据,更符合拉林铁路现场实际情况.

基于侧压力系数的岩爆区初始地应力场二次反演分析

为准确获得桑珠岭隧址区初始地应力场分布规律,提出在岩爆区初始地应力场的二次反演方法。采用最小二乘法寻优准则对隧址区初始地应力场进行多元线性回归分析,利用叠加原理得到在一次反演下的初始地应力场;采用表面应力解除法测量隧道开挖后的洞壁二次应力,记录发生岩爆的部位并据此判断侧压力系数的大小,与在一次反演下相应位置的侧压力系数进行对比,如果两者都大于或者等于或者小于1,则以在一次反演下计算得到的侧压力系数为基准,以其大小不变作为约束条件对初始地应力进行修正,当采用修正后的初始地应力作为应力边界条件,计算得到隧道开挖后的洞壁二次应力与实测洞壁二次应力最接近时,以此时修正后的初始地应力和原位地应力进行回归得到在二次反演下的地应力场。结果表明:当测量原位地应力的钻孔较少且计算区域较大时,一次反演回归得到离钻孔较远位置的应力计算值与实测值存在一定的误差;二次反演在原位地应力的基础上增加实测洞壁二次应力进行修正,得到离钻孔较远位置的应力计算值与实测值吻合更好,所提出的二次反演方法可为类似工程的研究提供参考。

浅埋偏压隧道施工工法研究与非对称设计优化

为探究偏压隧道的适宜工法并针对偏压特性对支护结构进行非对称优化,基于九绵高速福隆隧道,通过现场监测深浅埋侧非对称周边收敛与地表变形,建立三维山体隧道模型,进行不同工法围岩、支护结构受力变形比选分析以及初期支护厚度、锚杆长度与倾角的非对称优化设计。相关研究表明:1)现场监测发现,地表沉降与周边收敛非对称特性明显,随着离隧道正中距离的增大,深埋侧地表沉降较浅埋侧数值减小较慢。深埋侧上拱腰收敛数值最大且波动较大,浅埋侧下拱腰收敛增速较慢。2)偏压隧道较适宜工法为CD法,能有效控制围岩支护结构变形、锚杆应力、初期支护压应力以及塑性区分布。3)初期支护非对称优化结果为将浅埋侧初期支护厚度减小2cm,深埋侧增大2cm,能将二次衬砌拉应力控制在较小数值。4)锚杆长度非对称优化结果为将浅埋侧锚杆长度减小0.5m,深埋侧增大0.5m,使锚杆受力更为均匀并减小右上拱肩与左下拱脚的塑性区。初期支护应力在右上拱肩与左下拱脚处存在显著偏压,通过将右上拱肩处锚杆朝深埋侧倾斜能一定程度减小初期支护受力不均匀。

岭回归在岩体初始地应力场反演中的应用

为使反演得到的岩体初始地应力场更加符合实际,提出岩体初始地应力场应采用压缩应力场进行叠加,反演得到边界构造荷载的大小不应过大,反演得到应力场的组成应与实测原位地应力的组成一致。依据多元线性回归相关理论,在岩体初始地应力场反演中,首先揭示了负回归系数、过大回归系数以及不显著回归系数的原因,即若采用最小二乘法求解回归系数,自变量之间的多重共线性可能会导致负的、过大的以及不显著的回归系数;然后给出了出现多重共线性的来源,即测得原位地应力的范围过窄会导致自变量之间存在多重共线性,以及采用多元多方程表示岩体初始地应力场易导致自变量之间接近完全多重共线性;最后给出了检验以及避免多重共线性的一些方法,并通过斑竹林隧道岩体初始地应力场的反演进行应用,发现在岩体初始地应力场的反演过程中,若自变量之间存在多重共线性,则岭回归可有效替代最小二乘法求解回归系数。

基于残差平方和取舍常数项的地应力场反演分析

为提高地应力场的反演精度,通过文献调研发现,含与不含常数项回归模型被单独地用于反演岩体的初始地应力场,而这两类回归模型的反演结果是不相同的,因此反演结果较差的回归模型很可能被用于反演。为解决此问题,首先,结合概率统计理论提出了衡量应力实测值与计算值偏差程度的量化指标,此量化指标可以客观地选择最佳反演结果的回归模型;然后,在郭怀志教授提出的反演分析方法的基础上,在含与不含常数项回归模型中,基于此量化指标提出了客观获得最佳反演结果的岩体初始地应力场反演流程,其可以获得与实测原位地应力较为吻合的岩体初始地应力场;最后,以某复杂艰险山区铁路隧道为依托对此反演流程进行工程应用。结果表明,在此隧道局部区域,含常数项回归模型的反演结果较不含常数项回归模型更好;提出的反演流程可为反演岩体的初始地应力场提供一定的参考。

高水压水下隧道合理涌水量限排设计研究

为减小作用在汕头湾海底隧道衬砌背后的水压力,确定高水压水下隧道合理的涌水量限排设计方案,采用ABAQUS软件模拟“仅采用纵向盲管”、“纵向盲管+间隔12 m的环向盲管”、“纵向盲管+间隔6 m的环向盲管”3种泄压排水方案下,不同泄压值的隧道涌水量及衬砌背后水压力。对比分析得出,随着泄压值增加,隧道涌水量线性降低,而横截面衬砌背后水压力线性增大;环向盲管分布越密集,隧道涌水量对于泄压值的变化越敏感,隧道横截面上衬砌背后水压力受泄压值变化的影响程度越高;此外,隧道横截面上监测点离纵向盲管越远,其衬砌背后水压力受泄压值变化的影响程度越低;采用泄压值为600 kPa的“纵向盲管+间隔12 m的环向盲管”进行泄压排水时,能够使最不利隧道横截面拱脚处的衬砌背后水压力达到最小,从而客观地确定了汕头湾海底隧道合理涌水量限排设计方案。

基于单三轴试验与直剪试验的层状软岩模拟

为探究模型试验中层状软岩模拟方法,依托九绵高速层状软岩隧道现场取样的室内试验结果,多次试验确定重晶石粉、石英砂、石膏粉、滑石粉和水的最优配比以模拟软岩基体,采用带孔薄膜模拟层理弱面的黏结作用,并通过直剪试验确定孔隙率,最后对不同层理角度与层理厚度的试样开展直剪与单、三轴试验以反映各向异性情况。结果表明:软岩基体模拟最优配比为0.55:0.15:0.07:0.06:0.17,重晶石粉对强度及破坏变形起决定作用,含量过低易压溃,含量过高产生上下贯通裂缝;采用30%孔洞率的薄膜模拟层理效果最佳;土样强度随层角呈U形变化,层厚减小(不小于2 cm),强度减小。直剪试验中,45°层理剪切面朝层理方向倾斜,90°层理导致剪切面上下产生裂缝与碎裂,单三轴结果中,0°层理会产生小角度倾斜裂缝,45°层理产生垂直层理面的斜裂缝及二次破裂,90°层理产生顺层理的竖向劈裂;与现场结果对照后确定最优层厚为3 cm,对层角与层厚的直剪与单三轴试验结果整体一致,揭示土样孔隙压密闭合-弹性-塑性胀裂破坏-徐变的过程。

地温梯度孕育的岩体热应力对岩爆预测的影响

为使在高地温环境下通过水压致裂获得的应力更加真实地预测岩爆,提出在岩爆预测过程中应考虑地温梯度孕育的岩体热应力.结合弹性理论获得了在高地温环境下水压致裂的理论应力解;基于此理论应力解对圆形隧道进行了岩爆预测;应用岩体热应力公式对桑珠岭隧址区的岩爆进行了预测.研究结果表明:在高地温环境下,恒定压力和水平主应力会增加约一倍的岩体热应力,裂隙重开压力会增加约两倍的岩体热应力,垂直应力不变;如果在高地温环境下直接采用水压致裂测得的应力进行岩爆预测,当水平原位地应力大于竖向原位地应力时,得到的岩爆等级偏高,当水平原位地应力在重力应力和竖向原位地应力之间时,得到的岩爆预测位置与实际不一致,当水平原位地应力小于重力应力时,得到的岩爆等级偏低;桑珠岭隧址区的岩体热应力约为重力应力的61%,若不考虑此热应力进行岩爆预测会导致严重的错误.

不同大变形等级的层状软岩隧道施工模型试验与数值模拟研究

为探究复杂艰险山区层状软岩隧道非对称破坏特征,提出不同大变形等级下层状软岩隧道的合理施工变形控制技术,以九绵高速公路典型层状软岩隧道为工程背景,建立针对复杂艰险山区层状软岩隧道的大变形等级划分标准,在此基础上通过模型试验和数值模拟,就不同大变形等级下施工工法和支护方式对层状软岩隧道力学行为的影响开展系列研究。研究结果表明:在应力场–层理方向耦合影响下,层状软岩隧道受力与变形空间非对称分布最不利位置位于层理面法向或切向位置,并随着大变形等级(轻微、中等和强烈)的增大,隧道非对称力学特征越明显;此外,施工工法和支护方式对不同大变形等级的层状软岩隧道变形与受力改善效果存在差异,故针对3种大变形等级的层状软岩隧道,分别提出二台阶施工+单层初支+短锚杆支护、三台阶施工+单层初支+长短锚杆支护、三台阶预留核心土施工+双层初支+长短锚杆支护的建议施工变形控制技术。

浅埋偏压小净距三洞并行隧道合理开挖顺序、工法与明洞施工研究

为研究浅埋偏压小净距三洞并行隧道的合理开挖顺序、施工工法及明洞施工影响,基于甬舟公铁路中公路涨茨隧道与铁路洋山隧道并行段,建立三维偏压山体与三洞并行模型,对不同开挖顺序与工法下围岩、支护结构受力变形展开比选研究,并对明洞施工的作用效果及合适施作时机展开研究。(1)铁路隧道与公路左线拱底隆起区、与公路右线拱顶沉降区产生贯通,且公路隧道塑性区集中于近铁路隧道中下侧;隧道开挖导致自身洞周变形加速,相邻隧道拱顶、地表隆起,近侧拱腰扩张、对侧拱腰收敛。(2)公路左线拱顶、地表在相邻隧道施工时会出现隆起,且先开挖左线隆起时间最短,先开挖左线的工法中顺序3(公路左线-公路右线-铁路隧道)在围岩支护体系受力变形最优。(3)考虑施工速度及减小偏压隧道工法导致围岩扰动,提出三洞采用CD-二台阶-反向CD的新工法。该工法能进一步减小结构受力变形,并对铁路隧道拱腰收敛改善效果显著。(4)左线明洞施工回填土处未发生塑性破坏,且可以改善支护结构受力数值及不均匀(初支在左拱腰、二衬在右拱脚受力较大)的情况;左线明洞-左线暗洞-右线为最佳明洞施作时机,减小了支护体系的受力变形以及铁路隧道与右线的拱底隆起,并对右线左拱肩、明洞护坡、右线左拱脚以及右线侧上方土体塑性区有一定改善。

雅鲁藏布江缝合带深埋长大隧道群岩爆孕育及特征

为揭示雅鲁藏布江缝合带对区域内深埋长大隧道群岩爆的孕育作用,探明岩爆时空分布与破坏特征规律和影响因素,以新建川藏铁路桑珠岭隧道和巴玉隧道为工程依托,通过地质调查、现场试验、地应力三维反演、岩爆记录统计等方法对隧道高地温、高地应力条件的形成、特征和影响进行分析,最后结合热力耦合计算就高地应力、高地温对隧道岩爆的影响进行了比较分析。研究结果表明:受控于缝合带特殊的大地构造以及新生代岩浆活动影响,区域内深埋长大隧道群呈现出高地应力和高地温特征;两座隧道受水平地质构造和大埋深影响显著,其中桑珠岭隧道轴线处最大水平主应力、自重应力分别为巴玉隧道轴线处的1.44和0.78倍;受竖向应力控制岩爆的空间分布集中在拱顶和掌子面,而邻近河谷区域受水平应力影响在近雅鲁藏布江河谷一侧岩爆次数明显居多。现场试验表明两座隧道围岩均具有弱～中等岩爆倾向,但因岩性产生的岩爆倾向性差异不明显;受大地热流及局部熔融体埋深影响,两座隧道的高地温差异显著,结合热力耦合模型计算表明桑珠岭隧道受高地温影响,开挖过程中的热力耦合作用明显,而巴玉隧道岩爆主要受到竖向高地应力影响。

基于洞壁实测信息的FA-PP岩爆预测模型应用研究

为了给岩爆隧道提供更加符合现场实际规律的岩爆预测结果,针对岩爆预测评价中应力判据界限值的多样性以及单一判据预测结果准确性低的特点,提出采用投影寻踪(PP)与萤火虫算法相结合的方法进行岩爆预测评价,解决了岩爆预测中采用多种应力判据时多项指标的模糊性和不兼容性等问题。此方法根据岩爆等级划分标准,构建了以实测数据、现场岩爆信息为基础的能够根据各项指标判定岩爆等级的投影指标函数,选取σθ/Rc,σt,σ1三个岩爆评价中常用的指标,并采用萤火虫算法(FA)优化投影指标函数,寻求投影指标函数的最佳投影方向并求得最佳投影值,保证了此方法的精确性。研究结果表明:采用萤火虫投影寻踪算法(FA-PP)进行岩爆等级预测可避免传统预测方法中由于主观原因造成的误差,判定精度高,也免去了利用多项判定指标与现场实际情况进行对比而选择一个相对接近实际情况判据的繁杂过程;此方法可利用目标隧道的已知岩爆发生信息掌握其岩爆发生特点及对3个评价指标的敏感度,构建出符合目标隧道岩爆发生规律的FAPP岩爆预测模型;以拉林铁路桑珠岭隧道为研究对象,将此方法应用到岩爆预测中,得到的预测结果与现场实测结果较为符合,验证了该方法的可靠性。