考虑锚杆预应力作用下隧道围岩力学分析及参数设计

隧道工程中锚杆设计多依靠经验法和类比法,为研究预应力锚杆支护体系下围岩的力学效应,建立预应力锚杆与围岩力学耦合模型,考虑围岩开挖损伤效应,通过弹塑性力学理论推导出隧道开挖后围岩应力分布及径向位移解析表达式,采用有限差分软件FLAC3D进行算例验证并分析预应力锚杆参数对围岩状态的影响。研究结果表明:理论解析和数值模拟中最大切向应力和围岩塑性区半径分别为4.77 MPa、15 m和4.49 MPa、15.86 m,理论解析与数值模拟所计算隧道围岩应力分布、位移基本一致,在Ⅳ、Ⅴ级围岩地层中验证了理论解析解的合理性;随着预紧力增大,处于塑性区的围岩径向位移及塑性区半径逐渐减小,弹性区基本不受影响;当锚杆自由段长度位于塑性区时,随着锚杆长度增加,围岩塑性区径向位移及塑性区半径逐渐减小。在实际工程中应尽量增大锚杆预紧力,锚杆长度增加对围岩位移以及塑性区的发展控制效果有限,应控制锚杆自由段长度在塑性区内。

隧道内障碍物对爆破冲击波传播特性影响研究

隧道掌子面开挖爆破产生的冲击波对施工安全构成极大威胁,为研究隧道内障碍物对掌子面开挖爆破产生的冲击波传播特性影响,依托宁攀高速公路胜利隧道,采用动力分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟爆破冲击波在隧道内障碍物段的传播,并采用现场测试方法对数值模拟结果进行验证。研究表明:正常衰减的冲击波传播至障碍物面上方2 m处超压迅速增长4.1%,通过障碍物后由于绕流作用超压增长2.2%,障碍物上方冲击波总体呈现增强-衰减-再增强-再减小的特性;障碍物中心轴线前5 m处反射冲击波超压开始高于初始冲击波,反射冲击波传播至障碍物面时超压峰值增长至初始冲击波的2.4倍;障碍物对正后方0.5 m范围内超压峰值有一定的降低作用,0.5~2 m范围内冲击波超压有所增长,随后恢复为正常超压衰减。现场测试结果表明,障碍物前2.5 m处形成2个超压峰值,经障碍物表面反射第2个冲击波超压峰值为初始峰值的2.95倍。

循环冲击荷载下喷射混凝土的动态力学性能及破坏模式研究

地下空间中频繁的动态荷载扰动会对支护结构的安全造成严重威胁。为探究喷射混凝土在高应变率循环冲击荷载下的动态力学性能变化和破坏模式,本文依托老营盘隧道,采用直径50mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)对混凝土试件开展循环冲击试验,从应力—应变行为、动态力学性能指标、能量转化规律、破坏模式等方面进行分析。研究结果表明,随着冲击次数增加,喷射混凝土峰值应力逐渐减小、极限应变和平均应变率逐渐增大;喷射混凝土吸收能基本不变,反射能增加、透射能降低;冲击过程中喷射混凝土试件中心细长微裂缝逐渐发育并增多,裂缝从外侧向中心处延伸,最后裂缝贯穿整个混凝土结构,发生突变破坏。

高地温TBM铁路隧道施工应对措施研究

为了改善高地温TBM铁路隧道的高温热害问题,依托某特长铁路隧道工程,通过大量资料调研并综合国内外已有高地温TBM隧道施工降温技术措施,同时结合该隧道高地温具体情况,提出了一套系统的TBM高地温隧道热害防治的综合降温技术方案。研究表明,综合国内外地下洞室施工温度控制标准,建议高地温TBM铁路隧道洞内施工温度控制在28℃以下;采用加强通风、洒水降温、冰块降温、人工制冷等降温技术并结合隧道支护体系防热措施可防治TBM隧道高岩热;采用红外探水超前预测、化学注浆、热水归管引排等“以防堵为主,引水排水相结合”的原则可防治TBM隧道高温热水。根据该隧道热害具体情况采用热害分级防控总原则,将隧道热害分为4个等级并采取针对性治理措施,减少热害防控对施工进度的影响,节约经济。研究成果可为高地温TBM铁路隧道及其他类似工程提供参考。

爆破冲击波在台阶法隧道内的传播特性研究

为了解决目前隧道施工过程中掌子面开挖爆破产生的冲击波容易造成工程灾害的问题,基于宁攀高速胜利隧道台阶法开挖的实际情况,采用动力分析软件ANSYS/LS-DYNA及现场测试的方法研究冲击波在隧道上下台阶区段的传播规律。研究结果表明:初始冲击波传播至下台阶断面时先扩散至中上区域,与拱顶及侧壁碰撞反射后再传播至下部区域;冲击波在下台阶段0~10 m范围内,经多次反射叠加形成提升幅度约30%的第2次超压峰值;冲击波由上台阶较小断面进入下台阶较大断面传播时,超压衰减速度相对加快,过渡界面前后10 m范围内衰减系数由1.01%最高提升至1.05%。现场实测数据与数值模拟结果在上下台阶段得到的波形传播规律基本一致,验证数值模拟的可靠性。研究结果可为实际工程中爆破冲击波在变截面隧道中的控制措施提供参考。

粉煤灰堆积体地层连拱隧道开挖错距影响分析

粉煤灰堆积体自稳能力差,受力即破碎成散颗粒,隧道穿越粉煤灰场区时失稳围岩对施工安全构成极大威胁。以盐坪坝连拱隧道为依托,根据粉煤灰力学性质对比选用了塑性-硬化本构,通过有限差分软件FLAC3D对不同开挖错距施工进行数值模拟,研究5、10、15 m不同开挖错距对粉煤灰堆积地层中双连拱隧道的围岩和结构的影响。结果表明:中导洞台阶开挖错距不宜超过10 m,15 m错距工况相比10 m错距工况应力最大值增长了36.82%,左右洞采用小开挖错距可以有效减少中导洞拱顶位移;中导洞开挖完成后左右洞拱顶竖向位移达到总沉降量约50%,左洞拱顶沉降位移与开挖错距近似线性增长,后行洞开挖过程中对先行洞造成的影响较大;主洞采用不同开挖错距时应力集中区域分布在不同位置,开挖错距大于10 m后结构应力增幅快速增长,15 m错距相比10 m错距应力最大值增长了17.28%,主洞开挖错距不宜超过10 m。

盐酸法制磷酸中氯化钙废水的除氟工艺

采用盐酸法制磷酸,每生产1 t磷酸约产生7~8 t氟质量浓度约4000 mg/L的酸性氯化钙废水。采用Ca(OH)_(2)与聚合氯化铝(PAC)+聚丙烯酰胺(PAM)对该废水进行了除氟处理。结果表明,加入5.68%Ca(OH)_(2)、25℃下反应1 h,废水中氟质量浓度降低至37.1 mg/L。Ca(OH)_(2)沉淀除氟后的废水加入1.5 g/L PAC+5 mL/L 1%阴离子型PAM,40℃下反应15 min后废水中氟质量浓度为9.06 mg/L。对于酸性高浓度氯化钙废水,该除氟方法具有氢氧化钙用量少、不引入新的杂质、成本低、可深度除氟的优势,是一种具有工业应用价值的废水处理方法。

通风竖井地压计算

为了科学地指导竖井设计施工、降低竖井施工风险,往往会对竖井地压进行估算。文章依托白马隧道通风竖井工程,首先通过弹性理论获得了竖井周边围岩的应力分布规律,同时基于莫尔圆极限平衡状态算出了井壁不会出现非线性变形的稳定条件,由此计算得出竖井的稳定深度为5.27 m,最后通过对竖井变形地压的计算进行了竖井支护参数对比,研究发现当初支混凝土采用厚度为32 cm、强度等级为C35时,支护效益最好。研究成果对类似工程具有一定参考价值。

强风化混合花岗岩地层中盾构泥饼堵塞情况下渣土改良剂效果分析

在强风化混合花岗岩地层中掘进时,盾构会遇到刀盘结泥饼、喷涌、掌子面失稳等问题。为解决该问题,需要对地层进行渣土改良。依托深圳地铁13号线留仙洞站—白芒站盾构区间项目,针对强风化混合花岗岩地层,通过自主研发的土壤-界面黏附力测试仪,研究含水率优化、注入分散剂、注入泡沫剂3种改良方法对强风化混合花岗岩地层的改良效果。研究结果表明:1)含水率优化能有效降低渣土的法向、切向黏附力,而分散剂和泡沫剂只对渣土的切向黏附力有改良作用,对渣土的法向黏附力反而有增大作用,且分散剂的增大幅度较泡沫剂大。2)泡沫剂渣土改良方案对盾构的掘进速度、推力、转矩以及掘进比能都有较好的改善作用。3)泡沫剂渣土改良方案并不能完全防止刀盘结泥饼,建议在采取泡沫剂改良方案的同时适当进行含水率优化,以最大限度降低刀盘结泥饼的风险。

在高地应力作用下近水平岩层隧道掌子面稳定性分析及控制

为了研究大峡谷隧道开挖中掌子面大范围塌方及支护失效问题,分析现场水平层状围岩失稳特征,基于3DEC离散元软件探究掌子面失稳机理,提出塌腔处治及支护整体优化控制措施。研究结果表明:掌子面塌方主要表现为顺层滑移、挤压离层、局部掉块。开挖后拱顶沿水平层理面发生离层,导致掌子面分层垮落,层间错动掉块。围岩拱顶块体呈斜向下45°变形发展,掌子面中部和底部呈平行隧道轴向变形发展,根据塑性区和剪切滑移区扩展范围,最终形成宽5 m、高4 m的塌腔,掌子面前方岩体受影响深度3~4 m。对易塌方段提出台阶法开挖等控制措施,现场监测洞周位移收敛量不超过5 cm,整体优化后支护效果明显。

粉煤灰地层大断面连拱隧道围岩变形规律研究

粉煤灰地层具有自稳能力差、结构松散、吸水性强、不均匀等特点,因此在该地层修建大断面隧道施工难度极大。本文以盐坪坝隧道为依托,利用Rhinoceros建模并将模型导入FLAC3D计算,对大断面连拱隧道穿粉煤灰地层掌子面附近围岩变形规律进行研究。研究结果表明:中导洞-左右侧壁预留核心土法和中导洞-左右侧壁台阶法开挖时,竖向位移普遍大于水平位移,水平最大位移出现在右洞拱脚约9 mm处,竖向最大位移出现在右洞拱肩约24 mm处,左洞先开挖产生的偏压作用导致右洞围岩位移明显增大,其中中导洞-左右侧壁台阶法在施作二次衬砌后围岩变形速率更大,因此选择中导洞-左右侧壁预留核心土法更有利于围岩稳定。

极高地应力层状围岩隧道偏压演化规律及围岩控制

以大峡谷隧道缓倾层状围岩为工程背景,采用3DEC离散元分析方法并结合现场监测的手段,深入研究高地应力不同岩层倾角下围岩偏压演化规律,揭示偏压与现场支护结构破坏关系,根据锚杆支护参数对偏压控制的影响,提出支护最优参数。研究表明,在高地应力缓倾岩层条件下支护结构的变形及破坏呈现明显的非对称性,随着岩层倾角的增大,初期支护最大主应力峰值位置由拱顶向右拱肩转移,反倾侧弯曲变形大于顺倾侧滑动变形;随着锚杆长度的增加,围岩剪切滑移区、初期支护位移、初期支护最大主应力均逐渐减小,锚杆最优长度约为3.5~4.5 m,锚杆沿层理面垂直方向打设,初期支护结构的偏压现象得到明显改善;现场优化支护后,左右拱肩呈对称变形,位移量基本相同,偏压得到明显改善。

粉煤灰堆积体大断面连拱隧道失稳破坏模式及施工力学研究

国内目前并无在粉煤灰堆积体中采用暗挖法修建大断面连拱隧道的先例,给隧道的设计和施工带来了巨大挑战。依托盐坪坝隧道工程,开展了室内相似模型试验,探讨了该地层下大断面连拱隧道塌落拱演化规律及开挖施工力学行为。研究结果表明:连拱隧道在粉煤灰堆积体中开挖极易发生失稳,将失稳过程划分为4个演化阶段,破坏模式具有突发性、剧烈性、对称性、同步性特征;塌落拱高度约为隧道开挖跨度的40%。采用单侧壁导坑法开挖时粉煤灰堆积体承载力严重不足,根据相似换算关系左、右洞拱顶沉降分别为16.86,14.91cm,需对地层实施注浆加固;地层沉降呈对称“双峰状”,先行洞相较于后行洞受开挖影响较大,中隔墙的承载作用能够有效降低地层位移,单洞压力拱向双洞压力拱转换过程中,中隔墙受到偏压作用容易向先行洞侧偏转,建议在先行洞开挖时中隔墙添加支撑物。