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。

高应力软岩隧道二次衬砌合理支护时机分析研究

以兰渝铁路某隧道为研究对象,考虑炭质板岩地层的蠕变特性,基于广义西元模型,对隧道施工过程进行三维数值模拟,研究了不同支护时机下初期支护、二次衬砌的受力变形规律。研究结果表明:(1)提前施作二次衬砌,能够和初期支护构成叠合支护体系,有效约束软岩变形,减小变形速率,施作时间越早,围岩变形控制效果越好;(2)初期支护和二次衬砌的应力支护时机相关。二次衬砌施作时间越早,越能够改善初期支护的受力状态,减小初期支护应力,同时分担的围岩形变压力越大,二次衬砌应力越大。

深埋隧洞软岩变形控制和应力拱圈形成分析

就深埋隧洞在高地应力软岩环境应力拱圈的形成、应力拱圈的强度和围压作用,以及围岩变形控制机理进行论述。分析超前地质预报、减少围岩扰动、数学模拟及监测、主动让压支护、围岩约束平稳过渡对变形控制及应力拱圈形成的作用,以及分析主动让压支护成功案例,阐明控制围岩应力释放的同时又及时提供围压的主动让压支护体系和使围岩约束平稳过渡的措施可以推动应力拱圈形成,能承担高地应力环境下的压应力。

高地应力深部巷道开挖锚固特性的三维地质力学模型试验研究

为研究锚固支护条件下深部巷道围岩是否产生分区破裂以及岩锚支护对分区破裂的影响,以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,进行了锚固支护条件下高地应力深部巷道开挖三维地质力学模型试验。通过模型试验发现围岩应变呈现波浪形变化规律以及洞周锚杆受力出现拉压交替变化现象。通过与未加锚支护模型试验结果的对比,揭示锚杆对抑制巷道围岩分区破裂具有重要的作用,这为深入分析深部巷道开挖锚固特性和优化深部巷道支护设计奠定了坚实的试验基础。

基于可拓理论的高地应力隧道围岩分级法及应用

随着大量深埋特长隧道的修建,地应力问题特别是高地应力问题对围岩分级的影响愈发突出。围岩分级是一个复杂的矛盾问题,目前常用的围岩分级方法是选取固定的几个指标,然后采用集商、求和等方式进行评分分级。但有些围岩分级计算方法不能根据实际地质情况灵活地选取分级指标,而且有些分级指标之间存在相关影响。可拓学理论可将矛盾问题转化为相容问题,是一种值得探索和运用的方法。本文将可拓理论方法与高地应力隧道围岩分级相结合,建立基于可拓理论的高地应力隧道围岩分级法。该方法主要是通过选取能够反映和体现围岩分级的各项重要参数指标———岩石单轴抗压强度Rc,RQD指标,岩石完整性指标Kv,地下水状态指标ω,特别是考虑了地应力值σ这项重要指标,然后在物元理论、可拓集合论和关联函数运算的基础上,建立了隧道围岩分级的物元模型;通过实际的隧道围岩级别关联度的计算,最终确定围岩级别。通过可拓理论围岩分级的实际应用表明,该方法在高地应力隧道围岩分级中具有较好的适用性。

兰渝铁路木寨岭隧道岭脊段衬砌-围岩结构体系变形受力特征分析

木寨岭隧道实测最大水平地应力达到27.16 MPa,岩石强度应力比为0.49,处于极高地应力状态。针对木寨岭隧道施工过程中发生的初期支护大变形、二次衬砌开裂等情况,文章通过实测和数值模拟等方法,分析了衬砌-围岩结构体系的变形受力特征。首先,通过对比衬砌-围岩结构体系中有、无应力松弛区两种工况条件下衬砌应力集中系数的变化,分析应力松弛区的作用;然后,研究了应力松弛区弹性模量Er、应力松弛区厚度La、侧压力系数λ和隧道断面形状等因素对衬砌-围岩结构体系中应力分布的影响作用;进而简单分析了木寨岭隧道岭脊段衬砌开裂的原因。

高地应力作用下大理岩岩体的TBM掘进试验研究

滚刀破岩效率的研究主要集中在室内线性试验机破岩试验和数值分析2个方面,在工地开展TBM掘进试验尚不普遍。锦屏二级水电站采用3台TBM开挖隧道群,3台TBM在不同洞深(不同地应力)条件对大理岩岩体进行TBM掘进试验、岩石渣片筛分试验及大渣片统计分析,研究岩体条件、TBM机器参数、TBM运行参数对TBM掘进速度的影响及高地应力作用下岩体可掘性指数的变化。研究结果表明:在高地应力条件下,尽管TBM掘进速度随推力增加而增大,但推力超过一定值后,TBM并不在优化状态下运行,TBM的运行需与岩体条件及地应力条件相匹配。

三台阶七步法施工高地应力隧道支护结构受力特性分析

文章以兰新铁路大梁山高地应力隧道为工程背景,展开三台阶七步法施工高地应力隧道支护结构受力特性研究。通过现场监测及三维数值仿真模拟,对施工过程中的围岩-初期支护接触压力、拱架所受的拉压应力及变形规律进行系统研究。现场监测及数值分析结果表明:(1)支护结构变形均基本满足设计规定的沉降控制指标(350 mm)及《铁路隧道设计规范》对沉降、收敛的相关要求;(2)围岩-初期支护接触压力及支护结构变形值均随着工序开展而不断增加,最大值均出现于侧墙拱腰部位,其中接触压力最大值为845.8 k Pa,收敛最大值为365 mm;(3)初期支护的最小主应力σ3逐渐增大并全部表现为压应力,其绝对值大于最大主应力;最小主应力σ3在仰拱闭合后各点基本达到最大值,趋于稳定;(4)高地应力隧道开挖过程中围岩将产生较大塑性区,拱肩及拱底部位发展最快,仰拱封闭是变形控制的关键点。因此,施工时应加快初期支护封闭成环,以减小应力增加,增强初期支护安全性。

层状岩体不同倾角对高地应力隧道稳定性影响分析

以层状岩体高地应力隧道为工程背景，采用数值模拟的方法，分析层状岩体的不同倾角对高地应力隧道稳定性的影响。研究结果表明：高地应力隧道相对于普通地应力隧道，其支护结构承受的荷载更大，隧道的稳定性问题更加突出；在25°～65°范围内，锚杆轴力随岩层倾角增大而增大的趋势明显。结合分析结果，通过将锚杆与岩层大角度相交，使多层岩体串联，从而增大了岩体层间阻力，减小了层间剪切错动的可能性，使锚杆充分发挥销钉的作用，减小了支护结构受力，增强了隧道围岩的稳定性。

锦屏二级水电站长引水隧洞高地应力下开敞式硬岩隧道掘进机安全快速掘进技术研究

对开敞式硬岩掘进机在锦屏二级引水隧洞群中的应用经验进行总结和梳理,首先针对锦屏二级水电站高地应力下开敞式硬岩隧道掘进机(TBM)设备选型及掘进参数的优化进行研究,合理确定设备结构及掘进参数;采用BEAM,TSP,地质雷达等手段综合开展掌子面前方超前地质预报,取得良好的预报效果,并制定相应的预处理措施。首次在国内水电工程中开展微震监测系统试验及应用,进行高地应力下岩爆风险预测预警研究,较为准确地预测了岩爆发生的大致范围,并开展一系列防岩爆支护措施的试验研究工作,取得较好的效果,有效降低岩爆风险和危害。最后,对如何实现TBM安全快速掘进进行综合分析研究,对今后开敞式TBM的选型和使用提供参考意见。

高地应力下深埋隧洞软岩段围岩时效特征研究

"引大济湟"调水总干渠输水隧洞埋深大,地应力较高,其中穿越的洞段Ⅳ、Ⅴ类围岩占有较大的比例,在高地应力作用下围岩开挖卸荷后极可能出现大变形失稳、垮塌等,这些都极大地影响着TBM的掘进效率及施工进度。根据洞室开挖过程中实际揭示的围岩地质条件及变形特征,采用三维黏弹塑性数值方法,对围岩的流变特性与时效变形进行研究;在对实测地应力场进行分析基础上,结合围岩现场变形规律,对围岩蠕变力学参数进行了反演,进而对隧洞开挖区域的软弱围岩进行黏弹塑性数值分析,获得了规律性认识,为动态调整设计提供科学依据。

高地应力软岩隧道施工工法数值分析与研究

以宜巴高速公路峡口隧道为工程实例,针对高地应力软岩隧道施工大变形控制问题,运用数值分析分别采用环形开挖留核心土法、三台阶法、双侧壁导洞法和CRD法对峡口隧道大变形段典型断面进行开挖模拟,获得了4种不同施工工法下洞身变形、塑性区分布情况;并以此判断围岩的稳定情况,对4种施工工法的优劣进行分析与研究。研究结果表明CRD法对控制围岩稳定效果最好。最后结合工程实际,通过支护结构受力监测,洞周累计变形量与变形速率量测,验证了选用的施工工法及工艺的合理性,对我国高地应力软岩隧道的建设进行了有益的探索。

高地应力区缓倾互层岩体无砟轨道隧道底部隆起的成因分析及整治方案

某高地应力区缓倾互层岩体无砟轨道隧道建成通车后,部分区段因隧道底部持续隆起而引起结构开裂、破坏。在实施预应力锚索(杆)加固方案后,底部隆起趋势仍未抑止,为此对该隧隧道底部隆起原因进行详细的调查分析。在现场实测和实验资料的基础上,采用FLAC2D数值软件建立隧道平面应变模型,研究隧道底部隆起的原因;对预应力锚索(杆)锚固和钢管桩结合中空锚杆注浆加固两方案进行模拟,比较二者的整治效果。结果表明:高地应力、隧道底部下伏缓倾互层岩体及仰拱下部存在软弱岩层是导致隧道底部隆起的主要原因;预应力锚索(杆)加固方案虽能一定程度抑制隧道底部的隆起,但不能显著改善隧道底部结构的受力状态,因此不能得到理想的整治效果;钢管桩结合中空锚杆注浆加固方案不仅能有效抑制隧道底部的隆起,而且能明显改善隧道底部结构的受力状态,同时通过注浆又可抑制隧道底部软弱岩层的进一步劣化,防止病害持续发展,显然此方案更适用于该隧道底部隆起的整治。

构造应力场中的软岩客运专线双线隧道稳定性研究

以铁道部250 km/h客运专线标准断面双线隧道为对象,依托木寨岭高地应力软岩隧道工程,研究构造应力场条件下隧道变形特性、能量积聚、力学响应及塑性区规律。水平大主应力平行隧道轴线时,高能集中区和塑性区主要集中于边墙,掌子面前方围岩能量密度较小,掌子面挤出变形较大;水平大主应力垂直轴线时,高能集中区和塑性区主要分布在拱顶、仰拱及掌子面,掌子面前方围岩能量密度较大,挤压变形较小。研究表明:掌子面前方待开挖核心土体表现能量-位移正交性,而目前采用简单的挤出变形来判别掌子面稳定性,其合理性值得进一步商榷;规范给出"最大水平主应力与隧道轴线平行或小角度相交设计原则",并不是对所有高地应力场都适用;锚杆在开挖初期有效促进临时"承载拱"的形成,使"压力拱"偏移至隧道轮廓附近,成为施工初期稳定的关键;锚杆降低边墙深部岩体切向应力峰值,随着掌子面推进,拱效应不断向深部岩体移动,形成动态压力拱。

泥巴山隧道流纹岩加卸围压力学特性研究

为了给泥巴山隧道开挖稳定性分析提供依据,选取钻孔深部的流纹岩,以隧道围岩实际应力环境为基础,结合单轴压缩破坏试验成果,进行常规三轴压缩破坏试验以及卸围压破坏试验。对流纹岩在不同试验条件下的应力–应变全过程曲线进行分析和比较,结果表明:在隧道部分深埋段,岩体的微裂隙也较发育;随着埋深的增加,岩石峰值强度有逐渐增大的趋势;完整的流纹岩抗压强度高且脆性特征明显;在三轴压缩试验时,流纹岩具有明显屈服特征,但经过很大的塑性变形后才发生宏观破坏,随着围压的增大,岩石从张性破坏向剪切破坏变化,破裂面倾角变缓;卸围压更容易造成岩石破坏,并且在卸围压破坏时其抗剪断参数c值比加围压破坏时下降48%,而?值增加11%。

高地应力挤压性断层中隧道施工三维仿真

研究目的:兰渝铁路木寨岭隧道位于西秦岭中山区,地质条件复杂,其中大战沟斜井穿越f16逆断层,为板岩夹砂岩夹炭质板岩。该位置实测地应力表明,地应力处于极高应力状态且最大水平主应力与斜井基本垂直,实测横向侧压力系数达到3.79。由于岩体软弱破碎、地应力高、横向侧压力系数大等原因导致坑道自稳能力差。本文通过FLAC3 D模拟预测隧道施工引起的变形和受力规律,为隧道施工安全通过高地应力挤压性断层的施工方案确定和现场监测方案制定提供技术支撑。研究结论:(1)横向变形大的原因是横向侧压力系数大、围岩软弱等因素共同作用,其中竖向和横向受载严重不均匀、支护结构处于极端不利受力条件是主要原因;(2)由于初支与围岩的共同作用,支护结构作用发挥明显,加固区围岩明显得到加强,原有应力松弛问题得到缓解,因掌子面未采取支护措施,有纵向拉应力区出现;(3)初始地应力处于高应力状态下,随着变形的发展,支护结构与围岩经过较长时间的相互作用才能使围岩达到最终稳定,围岩应力处于较高的压应力状态;(4)初支在拱顶承受215.00 MPa的极大压应力,边墙出现较大拉应力,总体处于较差的受力状态;(5)该研究成果可为高地应力挤压性断层隧道的施工和变形控制方案的制定提供参考。

基于主动支护的木寨岭隧道高地应力软岩大变形预应力锚索支护设计实践

为解决在建木寨岭特长公路隧道薄层极软岩在高地应力下发生的挤压性大变形问题,结合现场展开的工程地质分析、设计变更、监控量测工作,提出一种预应力长短锚索+W型钢带+柔性纤维网组合的基于主动支护的设计方案。该方案采用“先锚后支”的施工工艺,采用数值分析和试验段施工对设计方案进行验证。结果表明,预应力长短锚索组合的主动支护能够充分发挥锚索的锚固和悬吊作用加固围岩,提高围岩的抗剪能力,控制围岩形变能的释放态势,有效控制围岩变形,将初期支护变形控制在20 cm以内,减小约50%。在实际施工过程中对锚索防腐、锚索支护参数及锚索施工设备选型等进行优化调整,确保了隧道施工的顺利进行。