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。

深埋隧道围岩应力圈层传递理论及支护体系设计方法

深埋隧道围岩应力是一个涉及多因素的复杂问题,同时也是隧道工程研究的热点问题。基于深埋隧道围岩应力圈层传递理论,将隧道围岩离散为若干个圈层,每个圈层即是荷载也是结构,均可承受围岩达到极限强度时的径向应力及切向应力,分析不同围岩级别及隧道跨度条件下围岩应力和塑性区范围的变化规律。研究结果表明:深埋隧道围岩应力圈层传递理论揭示了隧道开挖与支护过程中应力的传递过程,为隧道开挖工法与支护结构的设计提供理论基础;根据圆环受内外径向压力时应力的计算函数和围岩强度模型,可获得各个圈层切向和法向应力的递推公式;采用递推公式计算出各圈层塑性和弹性切向应力,并等比例绘制在隧道围岩应力分布图中,根据围岩受力平衡的基本原理,分析隧道开挖前后围岩塑性和弹性切向应力的图形面积,可确定隧道塑性区的分布范围。

基于拱形理论的工作面支护方案设计及效果监测

为进一步提升综采工作面的开采效率,在对14号煤层所属工作面82203顶底板条件分析的基础上,本着高效开采的原则并采用拱形理论完成了支护方案设计;然后设计专用的监测方案对支护方案实施后对工作面顶板、底板及煤体的变形进行评估,经对数据分析发现所设计的支护方案能够对工作面围岩进行有效控制。

基于自稳隐形拱理论的巷道支护研究

针对可可盖煤矿主、副斜井TBM基岩段施工及支护问题,基于自稳隐形拱理论,设计并确定锚网喷支护参数。运用FLAC有限元软件,分析支护后围岩表面位移,以此验证巷道支护的合理性。通过顶锚和帮锚的设计,合理地减小了围岩的自稳隐形拱范围,所采用的锚网喷技术及相关设计参数得到的围岩顶板下沉量、底鼓量以及两帮移进量分别为15.932mm、7.64mm和12.502mm,两侧帮部的最大位移量为105mm,而顶板的最大位移量为80.5mm。这些位移量均在设计允许的变形范围内,说明支护效果较为理想。本研究为巷道支护提供一定的借鉴,具有一定的工程指导价值。

煤矿深部岩巷围岩控制理论与支护技术

采用现场大规模地质调查与试验监测、实验室岩石力学试验、数值模拟和理论分析等综合研究方法,系统地研究了淮南矿区深部岩巷围岩的复杂赋存条件,提出了深部岩巷围岩分类标准体系。分析了其在高地应力、高渗透压力和高温度梯度("三高")耦合作用下的变形破裂机理和稳定性演化规律,在此基础上提出了基于"应力状态恢复改善、围岩增强、破裂固结与损伤修复、应力转移与承载圈扩大"4项基本原则的深部岩巷围岩稳定控制理论,提出了针对各类围岩进行深部岩巷围岩稳定控制的技术措施体系及分步联合支护理念,总结形成了淮南矿区深部岩巷围岩稳定与施工安全控制的成套技术。

海底隧道施工过程中围岩稳定性的流固耦合分析

以厦门翔安海底隧道为工程背景,基于流固耦合理论,对穿越海域风化槽段施工过程中的围岩稳定性进行数值计算,研究不同施工阶段隧道围岩位移场和渗流场分布规律及支护结构的受力特征。研究结果表明:地下水的渗流作用对海底隧道的围岩变形影响很大,引起较大范围的海床沉降;超前导洞开挖对围岩渗流场的影响作用最为直接和明显,且由渗流引起的海底隧道围岩变形在向上传递过程中折减较小;海底隧道洞周变形和海床沉降主要集中在两侧导洞下部和中部核心土上部开挖过程中;海水水位变化对海床沉降、拱顶沉降、拱底回弹量及围岩塑性区分布范围均有一定影响;注浆圈加固效果直接影响海底隧道开挖后围岩位移场和渗流场的分布,且注浆加固区厚度及渗透系数存在1个经济合理值;海底隧道拱腰横向支撑节点的应力集中较大,出现较大的塑性破坏区;海底隧道支护结构受力分为3个阶段,且拱脚、横支撑支点处受力较大。

巷道围岩控制的波动性平衡理论

运用岩石力学的基本理论分析了巷道围岩的变形、强度特征以及支护力作用下围岩各变形区的应力分布特征 ,首次提出了涵盖巷道围岩 -支护相互作用全过程的波动性平衡理论 。

采场支架-围岩关系新研究

以砌体梁结构的“Ｓ－Ｒ”稳定理论为指导，运用相似模拟试验和数值计算等方法，对采场直接顶岩体的受力边界条件、位移场分布特征、ｐ－Δｌ关系曲线等进行了研究．视直接顶为可变形体，得到传统的ｐ－Δｌ双曲线关系并不适用于厚度为６倍采高时的直接顶．本文的研究结果是对传统支架围岩关系的补充和完善．

煤矿回采巷道围岩控制理论探讨

分析了巷道围岩变形、强度特征以及支护力作用机理,提出了涵盖巷道围岩-支护相互作用全过程的波动性平衡理论;对锚杆作用力的产生机理及其对岩体作用的力学效应进行了探讨;将锚杆作用的力学本质概括为提高锚固体的内聚力、弹性模量,减小锚固体的泊松比,改善锚固体的应力状态;对锚杆受力演化机理进行了探讨,揭示了锚杆轴向力随锚固体变形而演变的3阶段特征以及第一、第二临界变形概念,以及第二临界变形与锚固长度成正变关系和确定锚固长度时应考虑巷道变形的观点;依据破碎岩体不能承受拉应力但在支护作用下仍具有较强抗压能力的特性以及不同厚宽比条件下板的力学特征,提出了厚锚固板理论。

超欠挖状态下支护结构的力学特性研究

在传统的喷射混凝土支护结构设计中,通常假设支护结构层是一个薄壁等厚层。钻爆法开挖的隧道围岩表面由于受爆破的影响存在不同程度的超欠挖,导致初期支护喷射混凝土结构层厚度不均匀。充分考虑超欠挖情况下隧道围岩表面的不平整性,根据喷射混凝土支护厚度将支护后的隧道表面不规则形状依据实际喷层情况归结为未完全填充、局部填充和完全填充三类。基于弹性力学厚壁圆筒理论,建立了单一喷射混凝土支护结构和喷射混凝土+钢格栅联合支护结构的等效刚度与最大支护力的理论公式。基于上述原理,结合收敛-约束法对某隧道开挖工程的稳定性进行了分析,得到了隧道支护结构的安全系数。结果表明,所提出的方法对超欠挖隧道的稳定性分析具有较好的适用性,验证了该方法的可行性。

围岩松动圈支护理论在煤巷支护设计中的应用

根据围岩松动圈支护理论，在屯兰矿12501运输巷道内应用 PHD-2型松动圈测试仪进行围岩松动圈范围测试，确定松动圈厚度值LP 并进行松动圈分类。由测试结果可知，巷道围岩松动圈厚度在1．3～1．5m之间，属于中松动圈Ⅲ类一般围岩，应按照悬吊理论设计支护参数，从而确定适用于巷道地质条件的支护方案。通过对支护方案进行现场试验并监测巷道表面位移量，证明巷道变形量小，顶底板最大移近量小于26mm ，两帮最大移近量小于36mm ，围岩保持稳定。这表明根据围岩松动圈理论设计巷道支护方式及参数是合理可靠的，为屯兰矿巷道支护设计提供了技术参考。

挤压大变形隧道研究现状及高强预应力一次(型)支护体系

大变形是现今隧道工程的重点难题。分析国内外大变形的定义、分类与机制、判定标准、控制理论与措施等,对隧道围岩大变形进行细致梳理与归纳总结。阐述挤压大变形的控制思路,提出尽可能发挥支护体系提升与改善围岩承载能力的作用,而非仅被动地承载;探讨现今挤压大变形的重点研究方向与突破点;提出高强预应力一次(型)支护体系,并介绍其组成及相应的关键点,强调"预应力"在整个支护体系中的核心地位;最后,通过现场试验验证所提出的高强预应力一次(型)支护体系可较好地控制挤压大变形围岩的位移,并缩短变形稳定时间。

基于支护结构强度和变形综合优化的隧道支护理论与方法

针对新奥法在工程应用中的不足,分析了采用经典地压理论解决隧道工程支护问题的合理性与缺陷,提出了基于支护控制曲线、工程地质情况、监测数据的闭环式目标控制优化支护理论.通过有限元法分析不同应力释放率下支护结构应力与围岩变形的关系,利用支护应力与围岩变形控制条件确定目标控制位移,通过计算后续步段开挖对变形影响的修正控制位移,并结合实际工程的现场位移监测数据,最终确定合理的二次支护施作条件.通过工程实例,验证了该方法的正确性与实用性.

采用统一强度理论的锚喷支护围岩弹塑性统一解

基于双剪统一强度理论,结合点锚式锚杆锚喷支护的力学机理,导出双向等地应力情况下无限均匀介质中锚喷支护圆形洞室围岩应力场、位移场及塑性区半径解析解.分析强度理论参数b值对弹性区和塑性区应力、位移的分布特点的影响,以及锚喷支护对塑性区半径影响的变化趋势.结果表明:与Morhr-Coulomb强度理论结果相比,隧道轴向应力和强度理论中的参数b对隧道围岩应力场、位移场、塑性区半径及支护反力等均有影响;围岩应力值在锚固区外端位置有一个跌落;锚固区外端在塑性区的围岩应力跌落比在弹性区时大,隧道围岩塑性区半径随着锚固区半径先增大而减小,最后趋于平缓.

无衬砌浅埋隧洞松散压力的数值分析法

将极限平衡理论和弹塑性理论相结合,利用ANSYS和FLAC3D数值分析软件来计算浅埋隧道松散压力。计算时先将土体强度参数进行折减,隧道开挖后不做衬砌,在拱顶施加与重力方向相反的节点力,通过调整施加的反力大小使隧道处于破坏极限状态,即极限平衡状态;通过软件是否收敛来判断隧道是否破坏。该方法考虑了土体材料的特殊性,有严格的力学依据,计算结果与实际情况更加接近,为求解浅埋隧道松散压力提供了一种新的方法。

地裂缝活动对跨越裂缝带地铁隧道的影响分析

根据西安地裂缝的分布特征与活动方式,结合西安地铁二号线的实际情况,建立地质模型。通过数值计算,分析了地裂缝环境下隧道的变形和受力,并据此来研究穿越地裂缝隧道的设防范围、重点设防位置;研究了地裂缝环境下围岩压力的分布特征,为隧道受力模型的简化提供依据。由分析结果可见,地裂缝环境下隧道变形和受力的主要设防范围为上盘距离地裂缝40 m至下盘距离裂缝30 m共70 m范围;隧道纵向受力的最危险位置为裂缝两侧15～20 m处,隧道受剪最危险范围为裂缝两侧各15 m之内;在上盘地裂缝影响范围内隧道顶部的竖向围岩压力远远大于底部竖向围岩压力,此时可以忽略隧道底部土体的竖向作用力,将结构当作一根以沉降变形区两端为支撑的简支梁构件,采用极限平衡理论求解作用于隧道顶部的竖向围岩压力,并据此进行纵向抗弯设计。

变坡面浅埋偏压隧道松动围岩压力计算方法

根据变坡面浅埋偏压隧道的结构和受力建立计算模型,由计算模型推导隧道深、浅埋侧棱体横截面面积的计算公式;再根据极限平衡法求解变坡面浅埋偏压隧道深、浅埋侧的推力,进而推导出变坡面条件下浅埋偏压隧道松动围岩压力的计算公式。由计算公式可知:当地面坡度增大时,水平侧压力系数也随之增大;随着两侧土体对拱顶上覆土层推力的增大,拱顶的垂直土压力减小而隧道的水平侧压力增大。以贵广高速铁路贺街隧道洞口的变坡面浅埋偏压段为例,运用给出的变坡面浅埋偏压隧道松动围岩压力计算公式进行计算,并将计算结果与规范法的计算结果和实测值进行对比。结果表明:在实际工程中,当隧道两侧土体表面坡度变化较大时,给出的变坡面浅埋偏压隧道松动围岩压力计算公式的计算结果更加切合实际。

煤巷连续梁控顶理论与高效支护技术

结合应力强度因子、工程环境要素、顶板赋存结构等综合指标,提出以空顶自稳距离为基础参数的煤巷围岩分类方法,为分类实施高效掘进提供依据。针对煤巷顶板变形失稳和支护时效特征,揭示应力双向连续传递的稳定机理,建立低损伤连续梁控顶理论;研发不受巷道高度限制的柔性锚固技术,突破复杂条件高密度锚杆锚索组合支护技术的瓶颈,形成跨界长锚固大间排距单一支护技术。在鄂尔多斯矿区深部大断面煤巷创造了单排小循环施工、1. 5 m排距单一化柔性锚杆支护、月进1 040 m的掘进速度,形成了西部千万吨级深部矿井安全高效开采相匹配的高效快掘支护技术。

基于块体和松动压力理论的隧洞围岩稳定性分析

岩体中开挖隧洞的围岩失稳形式较多,尤其在埋深浅、应力低、结构面发育的地质区域经常出现顶部垮塌和边墙滑动失稳现象。笔者以某导流隧洞为工程背景,基于块体理论,运用Unwedge程序以不同隧洞走向和不同开挖断面形式条件下搜索出的关键块体重量和安全系数为研究目标,通过对比优选出适合本区域内导流洞围岩稳定的理论轴线走向和断面形式,为设计单位提供理论支撑。同时,对主次节理高度发育、围岩破碎严重、不适于用Unwedge程序进行计算的区域应用松动压力理论对围岩稳定进行计算并给出支护建议。

由工程实例获取隧洞围岩最大变形的支持向量机方法

在收集隧洞工程实例的基础上,将最小平方支持向量机用于提取地下隧洞工程实例的尺寸规模、埋深和围岩质量诸因素与围岩最大允许变形之间映射规律,建立了围岩最大允许变形预测的支持向量机模型·并结合样本的情况确定了支持向量机的模型参数:核函数参数和惩罚因子·通过对样本的学习和预测的结果表明,最大误差为14 4%,能满足工程要求·