支护-围岩接触关系与软岩硐室失稳破坏的研究

基于由注浆量统计结果得出的支护－围岩接触关系，通过数值计算全面、系统地分析了支护－围岩接触关系对支护－围岩承载体系的影响规律和碹体支护失稳破坏的内在机制，分析了支护体上载荷分布与其破坏形式的关系，为改进现有碹体支护工艺提供了一定的理论基础．

对围岩-支护共同作用原理的讨论

围岩-支护共同作用原理在地下工程支护设计以及安全评价中发挥着重要作用,基于该理论的收敛约束法也是目前国际上通用的支护设计方法。但共同作用原理未考虑地下工程先开挖后支护的特点,而是假定开挖与支护在同一瞬间完成。目前已有学者证明隧道开挖与支护分别符合塑性力学定义的加载和卸载条件,这表明开挖是发生塑性变形的过程,而支护是发生弹性变化的过程。对满足莫尔-库伦屈服准则的圆形隧道进行理论分析,结果表明:由支护产生的围岩位移增量与支护应力成正比,而传统的围岩特性曲线并不符合该规律。使用有限差分数值计算软件FLAC对圆形隧道的开挖与支护进行验证计算,得到支护后围岩位移增量与支护应力的关系符合弹性变形规律。因此,此前广为应用的围岩-支护相互作用原理中的围岩特性曲线在塑性力学理论范畴内并不正确。

基于Mohr-Coulomb准则隧道围岩-支护体系协同作用下支护强度分析

确定围岩-支护结构体系动态协同变形关系是地下工程支护需要解决的关键问题之一。运用Mohr-Coulomb准则推导隧道开挖支护后围岩径向变形与支护结构径向变形的协同方程,探讨Ⅳ级围岩塑性半径、围岩位移及支护刚度随支护强度的变化关系;并运用FLAC3D数值模拟验证协同变形方程的合理性和有效性。结果表明,围岩-支护结构体系协同变形方程能很好地反映围岩位移和塑性区半径随支护强度变化的关系,且相互关系是非线性的。支护强度为0.75 MPa时,理论计算拱顶沉降为18.9 mm,数值模拟拱顶沉降为21.6 mm;支护强度为1.5 MPa时,理论计算拱顶沉降为11.2 mm,数值模拟拱顶沉降为11.1 mm,表明围岩-支护结构动态协同变形方程的有效性。针对Ⅳ级围岩在采用超前支护和交叉中隔壁法(cross diaphragm,CRD)施工时,建议支护强度设计为0.75~1.5 MPa,支护刚度设计为59.8~375.0 kN/mm。

深部软岩巷道围岩与锚喷U型钢支护结构相互作用研究

收敛-约束法(特性曲线法)是将理论解析、现场实测、工程经验相结合的一种地下工程结构设计方法,是目前分析围岩-支护相互作用关系及开展支护优化设计的常用方法。基于收敛-约束法的基本原理,总结给出了经典的支护特征与支护结构变形方程,理论计算获得了喷射混凝土、锚杆(索)、U型钢支架等支护结构的支护特征曲线,分析了支护结构的几何尺寸(直径、长度)、间排距、材料强度等参数对支护压力的影响特征;随着喷射混凝土厚度及强度等级的增加,喷射混凝土提供的支护刚度和支护压力逐渐增大;随着锚杆(索)直径、长度、杆体材料强度的增加及间排距的减小,锚杆的支护压力显著增加;U型钢支架的排距越小及材料强度越大,其提供的支护压力越大。采用FLAC^(3D)内嵌的莫尔库伦应变软化本构模型,建立了考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的深部软岩巷道数值分析模型,计算获得了不同应力状态下巷道纵剖面变形曲线、围岩特征曲线,分析了锚喷、锚杆(索)喷、锚喷U型钢等3种联合支护技术对深部巷道围岩大变形控制的适用性,验证了锚喷U型钢联合支护技术应用于深部巷道支护工程的可行性。考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的应变软化本构模型和经典的莫尔库伦本构模型的数值模拟结果相差较大,采用莫尔库伦本构模型的数值模拟结果保守,支护结构提供的支护压力无法满足深部巷道稳定性控制要求,支护后巷道围岩变形较大甚至会发生冒顶、片帮等安全事故。

基于Drucker-Prager屈服准则及加卸载判据的圆形隧道围岩-支护作用机制探讨

隧道围岩-支护相互作用机制是隧道力学中的基础理论,为了准确描述围岩与支护结构对隧道应力变形的影响,假定围岩本构模型为理想弹塑性模型,采用适用于岩土材料的Drucker-Prager屈服准则,考虑加卸载判据,证明了圆形隧道的开挖过程是一个加载过程,支护过程是卸载过程。通过大型有限元仿真软件Abaqus计算了平面应变情况下圆形隧道开挖与支护过程的弹塑性解。数值分析结果与理论公式结果相吻合,表明开挖的过程是解除内压、增大压差的加载过程,支护过程为施加内压、减小压差的卸载过程。支护后的围岩应力增量和位移增量符合弹性规律,且支护过后的应力等于开挖后的应力减去弹性应力。支护过程的卸载效应使得开挖过程产生的塑性区变成了残余变形区。研究结果可为工程应用提供参考。

围岩-支护不同接触状态对隧道结构安全性影响分析

围岩与支护作用关系是隧道工程的核心内容,两者接触状态影响着隧道结构力学状态及服役性能。基于理论分析及数值计算方法,对围岩-支护切向作用关系、衬砌背后空洞等接触状态下隧道结构安全性进行了分析,并得出以下结论:围岩-支护间切向作用关系对衬砌内力分布规律及安全性影响显著,围岩-支护间摩擦系数越小,衬砌安全系数分布均匀性越好;衬砌背后空洞作为支护与围岩接触关系的一种极限状况,显著恶化了衬砌结构受力性能,在拱顶“外凸”效应和拱部应力集中作用下,衬砌在拱顶外侧及空洞左右边界内侧开裂;拱部背后空洞条件下衬砌结构最终沿拱顶内侧裂缝扩展至贯穿,裂缝扩展模式也由贯穿之前的张开型裂缝转变为复合型裂缝。研究结论可为隧道结构设计及衬砌病害治理提供参考。

深埋隧道围岩-支护结构稳定性研究

依据隧址区工程地质特征,建立通—渝深埋公路隧道1:1实体模型。通过有限元数值模拟,结合量测资料,分析了隧道按全断面法和台阶法动态施工过程围岩-支护结构屈服接近度、位移和应力特征,以及支护结构钢支撑受力、二次衬砌轴力和弯矩特征。结果表明,在相同的地质条件和支护条件下,台阶法较全断面法没有明显的优势,为深埋公路隧道优化设计和施工提供了科学依据。

大跨度隧道围岩-支护体系稳定性分析

随着复杂地质条件下大跨度地下空间修建的日趋增多,以工程类比法为主体的静态设计、施工已无法满足地下工程建设的需求。文中以重庆绕城高速公路环山坪隧道断层破碎带为例,应用大型有限元ADINA软件,结合现场监控量测成果和施工方案,预先计算出隧道开挖过程中围岩的位移随时间的变化规律以及在空间上的分布特点,在此基础上应用收敛-约束原理判断了围岩及支护体系的稳定性,并对支护参数和施工时机给出了更合理的建议。为隧道动态设计、合理施工提供了一种新的思路。

考虑超前支护作用效应的围岩-支护相互作用机制研究

隧道支护结构参数的合理性设计是隧道建设安全经济性的重要保证,而围岩-支护相互作用机制是隧道支护结构设计的核心问题。基于开挖面空间效应的等效力学模型,引入超前支护对开挖面空间效应的影响,建立超前支护、隧道支护-围岩耦合作用模型,得到支护结构与围岩动态相互作用的全过程解析。通过计算实例分析,主要得到如下结论:1)从控制隧道围岩变形角度分析,超前支护、隧道支护均可有效控制隧道围岩变形,说明控制隧道围岩变形不仅要重视隧道支护结构的作用,同时也要考虑超前支护结构的作用;2)当隧道围岩变形量控制到一定程度时,可通过同时调节超前支护参数和隧道支护参数来达到预期的变形控制效果。

震裂软岩隧道围岩-支护失稳机制和处治机理分析

以穿越5·12发震断裂带(龙门山断裂带)的广甘高速公路软岩隧道为工程依托,依据对施工现场频发的围岩-支护结构失稳破坏的统计,以及典型失稳案例的分析,探讨了震裂软岩隧道围岩-支护失稳机制及处治机理,并选取具有代表性的围岩-支护失稳段为试验段,对其处治机理及效果进行验证分析。研究结果表明:隧址区岩体受地震及新近地震的反复揉搓,致使山体内部岩体产生震裂损失、围岩稳定性不足、地下水的渗透性增强、围岩与支护结构不能密切接触,是造成软岩隧道围岩-支护失稳事故的直接诱因;通过掌子面反压回填、地下水引排、塌腔回填、加强超前支护、基底注浆加固、改善施工工法和加强支护参数等处治措施,可有效地稳定掌子面前方松动岩体、控制震裂松动围岩压力、增强围岩-支护体系的稳定性,且使支护体系具备一定的安全储备能力。

弹塑性变形条件下围岩-支护相互作用全过程解析

围岩-支护作用机制是正确认识支护结构对围岩进行有效支护作用的基础理论问题。根据开挖面的空间效应及Hoek拟合方程计算了某工程实例的巷道顶板径向位移沿巷道纵向剖面方向分布的曲线,建立了围岩-支护耦合作用的力学模型,进而建立了描述巷道顶板径向位移与力学模型中的虚拟支护力的关系的数学模型。通过对数学、力学模型的解析与分析,研究了围岩-支护在其相互作用的全过程中的相互作用路径。在此基础上,对弹塑性变形阶段围岩-支护的相互作用原理给出了最新的认识。应用该研究成果,对某工程实例进行了支护作用效果的计算与分析研究。本文的研究成果实现了对围岩-支护耦合作用的全过程解耦,可以对围岩-支护的相互作用进行实时地预测或再现。

围岩-支护作用机制评述及其流变变形机制概念模型的建立与分析

岩石地下工程支护理论的核心问题是围岩-支护相互作用机制。首先,分析卡斯特纳方程和围岩-支护作用机制存在的缺陷和错误,包括:(1)模型对支护反力的产生及其支护时机、加载路径等力学处理不具有工程实际意义。(2)由卡氏方程和弹塑性公式推导的围岩特性曲线在工程实际中不存在,因此也不存在与支护结构的支护特性曲线相交的可能性。(3)将围岩特性曲线和支护特性曲线相交求解围岩-支护相互作用的平衡点存在概念及逻辑上的错误。然后,建立基于流变变形的围岩-支护相互作用机制的概念模型。最后,应用流变机制概念模型对工程实例进行计算,推演围岩与支护的相互作用过程,从理论上证实混凝土结构在一定条件下支护软岩巷道是可以的。提出的流变机制概念模型,既可以对围岩-支护相互作用给出定性解释,也可以应用于岩石地下工程的设计,理论基础可靠,能够应用于工程实践。

基于开挖面空间效应的围岩-支护相互作用机制

根据开挖卸荷的概念和开挖面空间效应原理,提出围岩弹塑性变形二次释放的概念,建立基于开挖面空间效应和围岩弹塑性变形二次释放的力学模型,研究围岩-支护之间的相互作用。通过引入围岩与支护在其作用面(接触面)上必须满足的2个协调条件即应力协调和位移协调,实现对围岩-支护相互作用达平衡状态时的求解。建立基于开挖面空间效应及围岩-支护相互协调作用的支护结构设计方法。

郑万高铁隧道大型机械化配套全断面法施工围岩-支护结构相互作用力学特性研究

为研究郑万高铁大型机械化配套全断面法施工围岩-支护结构相互作用力学特性,依托郑万高铁隧道现场实测数据,确定台阶法和大型机械化配套全断面法2种工法施工的围岩压力分布特征,并采用数值模拟的方法建立围岩-支护结构有限元模型,分析2种工法对围岩压力和结构内力的影响规律。研究结果表明:1)台阶法多次施工扰动易导致支护结构和围岩之间产生空隙而发生脱空,大型机械化配套全断面法施工对围岩扰动次数少,初期支护快速封闭成环,可保证初期支护及围岩之间良好的密贴性;2)在软弱围岩中,采用大型机械化配套全断面法施工比台阶法更有利于改善结构受力,减缓结构内部偏心受压的程度,能有效发挥拱形隧道结构承载力;3)大型机械化配套全断面法在软弱围岩快速施工、控制支护结构变形、保证支护结构受力安全等方面具有综合优势。

弹塑性条件下围岩-支护相互作用变形分析

为了充分了解巷道围岩与支护结构之间的相互作用关系,在基于弹塑性分析的前提下,将收敛-约束法应用于巷道围岩-支护相互作用分析中,并结合FLAC3D数值模拟软件,分别分析不同巷道支护前位移和不同支护结构刚度对巷道变形的影响。

基于监测数据的巷道围岩-支护结构稳定性预测分析

以新桥煤矿2107轨道巷作为研究对象,采用巷道变形监测和岩石力学理论,建立考虑时间因素在内的围岩变形和锚杆(索)支护载荷方程,通过研究估算围岩在服务年限内的变形量、持续变形速率和锚杆(索)支护载荷变化,判断支护结构发生过载的时间,为支护工程的隐患排查、制定合理的治理措施赢得主动应对的时间。

初支混凝土硬化特性与围岩流变耦合作用机制

喷射混凝土作为初期支护重要组成部分广泛应用于隧道工程。深埋软岩隧道开挖时,喷射混凝土硬化特性及围岩流变效应均于时间有关,使得围岩变形及结构受力错综复杂。基于此,该文建立了考虑喷射混凝土硬化特性与围岩流变效应的耦合解析模型,阐明了流变岩体隧道“支护-围岩”动态演化机制,分析了喷射混凝土设计参数、隧道工程参数及围岩流变特性等对“支护-围岩”动态作用的影响机制,并通过具体实例探讨了不同支护类型的时效支护特性。分析表明:喷射混凝土施作初期刚度较低,在围岩流变特性及开挖空间效应下围岩变形速率大,而喷射混凝土承担荷载较不考虑其硬化特性时要小,对于流变岩体隧道宜采用早强混凝土限制围岩早期变形;围岩流变荷载与喷射混凝土刚度均随时间逐渐增大,不考虑围岩流变效应会低估喷射混凝土对围岩变形控制效果及所承担荷载水平;型钢钢架+喷混支护体系刚度较大有利于限制围岩变形,格栅钢架+喷混支护刚度较小更利于围岩应力释放;隧道支护时机的选择应综合考虑围岩流变效应、支护类型、喷混硬化特性、隧道掘进速率的影响,进一步给出了不同支护类型的支护时机-掘进速度的极限关系曲线。研究成果可为类似隧道工程支护设计、施工提供理论依据。

细砂卵砾石互层隧道围岩-支护失稳成因和处治措施

为避免细砂卵砾石互层隧道施工中发生隧道坍塌、砂涌、冒顶等安全事故,以在建的国道317线岗托隧道为工程依托,采用三维数值模拟计算和现场测试相结合的方法进行分析,探讨了施工过程中隧道围岩-支护的失稳机理,提出了相应的处治措施,最后通过对失稳前和处治后拱顶下沉、水平收敛的测试比较验证了处治效果。结果表明,细砂卵砾石互层隧道围岩-支护失稳的原因是围岩自稳能力差,超前支护适宜性差致使互层围岩不能有效固结,砂涌造成衬砌背后空洞,致使结构承载力降低,现场采用大管棚配合水平旋喷桩进行超前支护,实施效果明显。

煤矿回采巷道支护—围岩相互作用全过程分析

依据现场调查及相似材料模拟实验，提出了涵盖煤矿回采巷道围岩的各种变形状态的关于支护－围岩相互作用全过程的波动性平衡理论，弥补了原有理论关于围岩强度破坏之后的缺陷，为煤矿回采巷道围岩控制理论的进一步研究提供了新思路。

热-力作用下水工隧洞围岩-支护结构耦合力学特性及相互作用机制

在高海拔寒区,围岩与支护结构的相互作用过程是影响水工隧洞结构稳定的重要因素。为了研究热-力作用下水工隧洞围岩-支护结构相互作用的时空演化规律,以新疆某寒区水工隧洞为依托,基于现场监测资料,采用有限元仿真模拟,计算温度效应下围岩-衬砌相互作用的弹塑性解析解,分析热力作用下隧洞耦合结构温度场和应力场的时空分布特征。结果表明:洞内低温对耦合结构的温度场和应力场影响较大,应实施防寒保温措施,保证在极端天气下,结构沿径向2.7 m内温度不低于0℃;通风前期,温度应力对耦合结构的应力变化起主导作用,21 d后还要考虑衬砌支反力、围岩被动支反力以及围岩外边界约束的共同耦合作用;对流前48 d结构内侧受拉,结构洞腰内侧出现最大拉应力155 kPa, 48 d后结构压应力激增,并且48~60 d内耦合应力增长速率最快。随着温度的降低,-1.95℃为洞顶和洞底的拉应力激增点,洞腰前期拉应力急剧增大,于-3.5℃开始缓慢减小。本次研究揭示了热-力作用下围岩支护结构相互作用的动态全过程,可为寒区隧洞安全施工提供依据。