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。

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。

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。

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。