收敛约束法在挤压性围岩隧道中的应用

由于挤压性围岩隧道围岩性质与应力环境的特殊性,其围岩特征曲线与常规隧道有明显差异。为研究挤压性围岩隧道围岩-支护相互作用关系,考虑支护效应修正围岩特征曲线,研究不同变形等级对修正围岩特征曲线的影响规律,优化挤压性围岩双线铁路隧道初期支护。研究结果表明,毛洞状态下,受双线隧道断面应力集中影响,拱脚和墙脚为安全控制位置;随着变形等级和侧压力系数增加,支护特征曲线与修正围岩特征曲线不再相交;Ⅰ、Ⅱ级变形采用单层支护可满足安全要求,锚杆只需布置在拱部和边墙位置,Ⅱ级及以上变形锚杆需要全环布置;Ⅳ级变形在采用双层支护的同时,需考虑改善洞室形状、超前加固等措施。

悬臂掘进机法在挤压性围岩隧道中的适应性研究——以木寨岭公路隧道为例

为探明悬臂掘进机法应用于挤压性围岩隧道的可行性与具体效果,以木寨岭公路隧道为依托,首先开展基于工程地质条件的悬臂掘进机法适用性分析;其次,结合工程实施条件,对悬臂掘进机进行选型,并设计2台阶悬臂掘进开挖方案;最后,依托工程试验段,重点从施工效能和实施效果2方面,开展2台阶悬臂掘进机法和3台阶钻爆法开挖的对比研究。研究结论如下:1)综合对岩石强度、开挖断面和工效3个因素进行分析,悬臂掘进机选型应重点考虑切割面积和切割功率。2)木寨岭公路隧道围岩按能否较好适应于悬臂掘进机法开挖,可划分为2类6种。3)对比3台阶钻爆法开挖的施工效能,2台阶悬臂掘进机法的施工进度提高20%,平均超挖减少150 mm,用工量减少5~10人,喷混凝土超耗量减少57%。4)对比3台阶钻爆法开挖的围岩位移、压力、拱架应力和锚索轴力,2台阶悬臂掘进机法中围岩压力减小0.01~0.11 MPa;围岩位移和拱架应力最终量值无明显变化,但分布更均匀、更快趋于恒值;锚索平均轴力增大39 kN。

挤压性大变形隧道分层初期支护适应性分析

针对挤压性大变形隧道支护参数、支护时机在设计工作中难以量化的现状,在考虑围岩流变效应和支护弹塑性本构的基础上,结合数值模拟手段,对各类支护的等效支护抗力和不同等级大变形隧道分层初期支护量化参数及适应性开展研究。得出主要结论:1)基于抗压强度控制,提出不同组合参数下的喷射混凝土和型钢拱架等效支护抗力;基于位移等效原则,提出不同直径、不同长度砂浆锚杆和不同长度预应力锚索的等效支护抗力。2)基于监控量测曲线,对考虑流变效应的围岩物理力学参数进行反演,以此计算围岩特征曲线,实现围岩变形量值、不同支护时机所需支护抗力与时间的关联。3)根据既有案例,取单边15 cm作为单层支护极限变形值,构建支护抗力曲线;基于极限变形控制原则,提出轻微大变形可选用单层初期支护+短锚杆的支护形式、中等大变形可选用2层初期支护+短锚杆的支护形式、强烈大变形可选用圆形隧道+3层初期支护+短锚杆+长锚索的支护形式的建议,并提出不同等级大变形隧道的支护时机及预留变形量建议值。4)兰渝铁路木寨岭隧道工程应用分析结果表明,采用该方法选取的支护参数是合理的。

基于变形稳定时间统计的挤压性围岩隧道二次衬砌施作时机研究

为获取挤压性围岩隧道二次衬砌施作时间,使二次衬砌施作可操作性更强,以变形速率限值为基础,对412个挤压性围岩隧道断面变形量测数据进行拟合和统计分析,得出不同变形等级的变形稳定时间范围值和施工期分阶段二次衬砌施作时机预测方法。具体结论为:1)提出了基于变形速率判据的变形稳定时间预测方法,通过最优指数函数曲线拟合,实现稳定阶段变形量u稳和最终稳定时间t′稳的预测;2)通过统计分析,确定了不同变形等级、不同跨度条件下变形稳定时间t′稳范围值,用于设计阶段初步拟定二次衬砌施作时机;3)提出了施工期二次衬砌施作时机分阶段预测方法,根据实测20、30、40 d和稳定时的相对变形,可实现分阶段预测最终变形稳定时间;4)经实测变形数据检验,采用二次衬砌施作时机分阶段预测方法所得预测结果可被工程所接受;5)以分阶段变形稳定时间t′稳为判别指标的挤压性围岩隧道二次衬砌施作时机预测方法,可操作性强,能避免以变形速率为判别指标时的操作困扰,可直接服务于工程实践。

基于变形分级的挤压性围岩铁路隧道断面形状优化设计

针对较大形变压力作用下挤压性围岩隧道断面形状优化的问题,在时速200 km客货共线铁路隧道建筑限界的基础上拟定单线和双线铁路隧道断面形状,通过结构安全性评价,提出不同变形等级条件下单线和双线铁路隧道较经济、安全的断面形式。研究结果表明:1)随着变形等级的增加,围岩压力显著增大,结构安全系数明显降低,从建筑限界出发拟定的最经济的隧道断面不能满足结构安全性要求。2)拱脚及墙脚是隧道结构受力薄弱部位,通过优化断面曲率实现拱部与边墙、边墙与仰拱的圆顺衔接,可有效改善结构受力状态,提高结构安全性。3)对于单线铁路隧道,Ⅰ级变形条件下推荐采用单线断面A(与常规单线铁路隧道断面相衔接),Ⅱ级变形条件下推荐采用单线断面B(在单线断面A的基础上对断面曲率进行优化),Ⅲ、Ⅳ级变形条件下推荐采用单线断面E(圆形)。4)对于双线铁路隧道,Ⅰ、Ⅱ级变形条件下推荐采用双线断面C(在常规双线铁路隧道的基础上优化断面曲率),Ⅲ、Ⅳ级变形条件下推荐采用双线断面E(圆形)。5)工程实践中,隧道断面优化应综合考虑结构安全、区段衔接和施工便利性,综合确定各区段隧道断面形状;在Ⅳ级变形条件下,应加强注浆加固,并采用多层支护及应力释放等技术措施保证隧道结构安全。

高烈度地震区隧道挤压性围岩大变形预测及其应用——以成昆铁路扩能改造工程峨米段长大隧道为例

挤压性围岩大变形通常发生在高地应力下强度较低的可塑性软岩中,其特征为在地应力作用下隧道围岩进入屈服状态,隧周收敛及掌子面变形激增,并且随时间增加,变形达到相当大量级。依托成昆铁路扩能改造工程峨米段长大隧道工程,运用强度应力比和隧道周边应变的关系,对隧道可能存在的挤压性围岩大变形段落进行了预测。基于预测结果的挤压性围岩大变形控制措施预设计,在成昆铁路扩能改造工程峨米段长大隧道工程施工实践表明:基于强度应力比和隧道周边应变关系进行挤压性大变形预测,采用根据预测结果按轻微、中等和强烈三级大变形预设计控制措施,实现了隧道施工过程中的挤压性围岩大变形控制,为隧道顺利施工提供了保障,思路方法可对同类隧道工程施工具有借鉴和参考意义。

隧道穿越挤压性软岩支护参数优化研究

针对东天山特长公路隧道穿越F2断层破碎带软弱围岩初期支护大变形问题,采用数值模拟及现场监测对采用三台阶法的隧道双层初期支护参数中的各层初期支护厚度和第2层初期支护施作时间进行了优化研究。结果表明,东天山隧道围岩经定性分析为挤压性软岩;双层初期支护各层厚度变化、第2层初期支护施作时间对隧道拱顶下沉影响不明显,最大仅相差13.58mm,对隧道洞周收敛却影响显著,最多相差235.11mm。最优双层初期支护参数为:第1层初期支护厚度35cm,第2层厚度20cm,且第2层初期支护应在中台阶开挖前施作,并通过现场应用与监测验证了该支护结构的可行性。

挤压性围岩隧道大变形机理及分级标准研究

结合高地应力条件下挤压性大变形隧道——乌鞘岭隧道工程实例,通过变形的现场量测结果,分析了挤压性围岩隧道大变形的基本特征。采用室内试验及现场量测等手段,综合分析确定了围岩物理力学参数,定量分析了洞室周边产生塑性区的条件、塑性区及洞壁位移的影响因素、塑性区半径与洞壁位移的关系。以现场量测数据为依托,结合理论计算,参考以往类似隧道经验,分别考虑了围岩的相对变形、强度应力比、原始地应力、弹性模量作为分级指标,并提出了综合系数α指标,采用综合指标判定法给出了大变形的分级标准,以及相应的防治措施。

深部挤压性地层TBM掘进卡机孕育致灾机理

为揭示TBM通过深部高地应力挤压性地层发生卡机的孕育致灾机理,基于TBM卡机孕育致灾机理的理论分析,通过FLAC3D计算护盾区域围岩的三维应力场、位移场,从而计算出护盾前移所受的摩擦阻力,并根据卡机状态判据判断护盾是否被卡。同时分析了TBM护盾长度L、超挖量ΔR对卡机的影响,结果表明:①护盾前移所受摩擦阻力Rf随护盾长度L增加而非线性增大;②护盾长度一定时,超挖量ΔR越大,护盾前移所受的摩擦阻力越小,但超挖量ΔR的增大将受到超挖技术水平和机械制造水平的限制;此外,考虑掘进工作面空间效应,将护盾分节阶梯式设计,加大尾护盾与围岩间的间隙ΔR,可以很大程度上减少围岩对护盾的挤压力,减少护盾被卡的风险;③可从护盾长度和超挖量及两者的合理组合角度提出TBM卡机的预防措施。

挤压性大变形隧道研究现状与展望

针对隧道工程挤压性大变形问题,文章阐述了大变形的定义及特征,介绍了国内外典型高地应力挤压性大变形隧道工程实例,并从挤压性大变形机理、发生条件、变形分级及预测、支护理念、支护措施及衬砌施作时机等方面对国内外研究现状进行了深入分析。结果表明:国内对挤压大变形机理存在以水平地应力为主导和垂直地应力为主导两种截然不同的认识;国外通常采用单一指标对挤压大变形进行分级,国内则往往采用多指标;挤压性隧道变形的精确预测仍是一个重难点问题;国外采用的支护措施以柔性支护为主,国内则以多层支护和应力释放为主。最后,提出了包括变形机理、变形预测、支护体系、定额配套以及衬砌结构长期稳定性等隧道挤压变形的发展方向。

挤压性围岩隧道若干基本问题探讨

文章结合我国铁路隧道建设经验,阐述了挤压性围岩隧道的高地应力条件及挤压性围岩地质特征,提出了挤压性地层围岩级别分类的建议,并针对影响隧道初期支护变形的围岩完整程度、层厚、地质构造及地应力等地质因素进行了深入的分析,探讨了挤压性围岩隧道按相对变形、初期支护的裂损程度、软硬质岩、偏压、断面大小等因素进行分类的方法,并提出了挤压性围岩隧道的设计及大变形的系统治理技术。

软岩隧道挤压性大变形控制技术研究进展

在高地应力软岩地区开挖隧道难免会发生挤压性大变形,各类"让"和"抗"的支护措施在特定的地质条件下都得到了一定的应用,但不具有普遍适用性。基于前人的研究成果和大变形隧道统计数据,从应力释放和塑性流变两方面对软岩隧道挤压性大变形的机理进行了分析。归纳了高地应力软岩隧道变形控制对策的研究进展,提出了基于"多阶段分等级协同控制"的变形控制原则。将围岩大变形分为轻微、一般、较严重、严重和极度严重5个等级,针对不同等级的大变形分别提出了不同的控制原则。对于流变特性显著的极度严重大变形,必须充分考虑围岩的流变力学特性,确定围岩流变变形稳定后的最终趋势,并根据这个最终趋势确定支护结构整体刚度。

挤压性软岩流变参数反演与本构模型辨识

研究目的:为合理确定挤压性岩体力学性态的各有关参数,正确认识岩体力学属性并确保数值计算结果的可靠性,将隧道现场监测变形时间序列作为依据,通过位移反演分析理论,获得对隧道围岩稳定分析结果影响显著的流变参数值,进而实施流变模型辨识,为隧道工程围岩稳定性分析提供合理的本构模型和切合实际的计算参数。研究结论:针对挤压性软岩隧道,建立了一套基于实测位移序列的模型辨识与参数反演的方法,该方法既依赖于工程地质和岩石力学理论,又依托于岩体工程现场实际量测,是联系理论实际的桥梁。

挤压性围岩隧道变形潜势的判定

研究目的:挤压性围岩隧道的工程难点主要是变形潜势的判定,以往主要利用岩石(岩体)的强度应力比来评价围岩的变形潜势,理论上概念明确,但在挤压影响严重段,围岩地应力和岩体强度很难实测,且受构造作用影响,岩体的强度时高时低、变化频繁,具有很大的不确定性,现场难以据此进行变形潜势判定。因此,有必要进一步研究变形潜势的判定方法,便于施工现场操作。研究结论:(1)勘察阶段可按岩石单轴抗压强度和最大初始地应力值之比对挤压性围岩变形潜势进行宏观预判;(2)设计阶段可按岩石(岩体)的强度应力比来评价围岩的变形潜势,划分变形等级,进行预设计;(3)施工阶段可按围岩完整程度和开挖后变形速率对变形潜势进一步进行判定;(4)变形速率可作为主要评价指标,对支护参数与围岩的适应性进行评价,动态调整支护参数;(5)本研究结论可为铁路挤压性围岩隧道的设计与施工提供思路和方法。

F_7断层挤压性围岩大变形控制技术

乌鞘岭隧道F7断层属于高地应力软岩断层带,在施工中发生了较大的变形,通过对软岩断层带的岩性分析研究,详细介绍控制软岩断层带大变形的施工方法和施工工艺。

基于变形潜势的挤压性围岩隧道控制技术研究

研究目的:随着铁路、公路交通网络建设的推进,挤压性隧道大变形现象十分突出,常常伴随着大规模的变形破坏,变形控制难度极大。挤压性围岩隧道变形控制的主要难点是如何划分变形潜势等级、确定支护体系和施作时机。本文结合以往挤压性大变形隧道建设经验,对挤压性围岩隧道上述基本问题进行深入的分析探讨,达到控制变形的目的。研究结论:(1)基于应力场分布特点,将挤压性围岩隧道变形分为“应力型”、“构造型”、“复合型”三种类型;(2)变形潜势是指围岩内部潜在应变能的强弱,可根据变形总量将变形潜势分为“常规、轻微、中等、强烈”;(3)变形潜势随变形速率的增大而增强,可根据支护初期变形速率评价变形潜势强弱、围岩与支护体系适应性;(4)揭示了挤压性围岩隧道长、中、短锚杆的作用机理,提出了锚固体系施作时机,确定了合理的钢架的形式、预留变形量;(5)提出挤压性围岩二次衬砌施作时机可按2~4 mm/d控制;(6)本研究能够为挤压性围岩隧道的设计及变形治理提供参考。

雁门关隧道挤压性围岩变形控制技术

北同蒲取直线雁门关隧道软弱围岩段埋深大,构造应力水平高,给隧道施工变形控制造成了极大困难。文章根据雁门关隧道挤压性围岩的工程特性,对洞室变形控制措施进行了研究。首先通过有限差分法(FLAC3D)数值计算确定了弧形导坑预留核心土三台阶七步开挖法的核心土合理长度;其次根据隧道塑性区范围与形状优化了系统锚杆的长度;而后通过对双层支护力学效应及内层支护施作时机的研究,得出理论上雁门关隧道的内层支护最佳时机为内层支护与外层仰拱同时施作;最后通过数值计算和现场工程实践,形成了"3~4 m核心土长度+超前支护+优化设计的系统锚杆及锁脚锚管+双层支护(H175+I22a)"的雁门关隧道挤压性围岩变形综合控制技术。该技术对在构造应力发育的软岩地区修筑隧道具有一定的借鉴意义。

关于挤压性围岩隧道大变形的探讨和研究

当前挤压性围岩大变形问题已引起隧道工程界的高度重视 ,但系统研究并不多 ,至今亦未列入设计规范。文章根据大变形的机理 ,提出了大变形的定义以及现场判定和预测方法 ,并按照主动法的整治原则提出了针对不同程度大变形隧道的设计与施工建议 。

挤压性围岩大跨隧道预应力锚索施作时机研究

依托兰渝铁路新城子隧道工程,文章采用数值模拟分析结合工程实际的方法,开展挤压性围岩大跨隧道双侧壁导坑法施工中预应力锚索的作用机制和施作时机研究。数值模拟研究表明,预应力锚索滞后掌子面一段距离施作,能有效控制变形又不影响应力释放;结合现场预应力锚索的施工经验,总结出了预应力锚索的钻孔时机、张拉方式及单次张拉建议值。

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。