极高地应力硬岩隧道变形规律及施工优化研究

依托重庆市巫镇高速宝山隧道工程,采用数值模拟方法开展极高地应力无仰拱硬岩隧道的变形规律和施工优化研究,对不同施工工法、施工步距进行了比选。研究表明:1)不同施工工法隧道变形规律基本一致,竖向位移大于水平位移且基底隆起较拱顶沉降更明显,全断面法施工隧道变形收敛速度最快;2)不同施工工法均为基底应力释放程度最大,释放后基底应力仅为初始的55%,且全断面法拱脚处应力集中范围最小;3)隧道周围的岩体以拉伸破坏为主,部分位置存在剪切破坏,施工工法对塑性区的水平影响范围有限;4)该隧道选用全断面法施工可行且较经济。全断面法不同施工步距变形及应力分布基本规律相同,施工步距越大,水平竖向位移越大,拱脚处应力集中越显著,最小主应力值也越大,综合考虑现场施工建设速度、变形收敛情况、应力分布状态,采用1.6 m步距较经济合理。

不同堵塞条件下硬岩隧道直眼掏槽破岩效果数值模拟研究

为研究不同堵塞材料及堵塞长度对硬岩隧道直眼掏槽爆破效果的影响,依托工程实例,采用ANSYS/LS一DYNA仿真模拟软件建立三维数值模型,对5种不同堵塞条件展开研究。根据数值模型计算结果,对掏槽区域爆破裂纹拓展情况进行了定性分析,对典型部位的岩石受力情况进行了定量分析。结果表明:1)自由面岩石主要受拉应力作用产生裂纹,炮孔堵塞使得爆炸荷载整体作用时间延长,致使自由面上裂纹更加密集;2)位于炸药和堵塞材料之间空气段附近的围岩,先受爆炸应力波作用岩石被压碎,后受力在拉压应力之间多次转化,致使裂纹被放大,结合爆生气体发挥的“气楔”作用,使得裂纹几乎贯穿模型截面;3)炮孔堵塞后炸药段周围岩石受到的爆生气体作用应力值显著提升,比不堵塞时的炸药段周围岩石峰值应力高出1.31~2.34倍,炮孔堵塞使得爆生气体持续稳定发挥作用时的压应力值提高3.70~4.70倍;4)以黏土和水作为堵塞材料时,堵塞长度为40cm的直眼掏槽破岩效果优于堵塞长度为60cm的效果。研究成果可为优化硬岩隧道直眼掏槽爆破参数提供理论基础。

高地应力水平层状硬岩隧道岩爆分级与防控技术研究

本文依托乐汉高速大峡谷隧道,总结分析了高地应力水平层岩爆的特征并提出了岩爆分级标准。在岩爆分级的基础上,提出了针对不同岩爆等级的处置措施。现场实践结果表明,对于弱岩爆可以采用全断面法开挖,降低扰动次数。对于中~强岩爆段,宜采取短进尺分部开挖,降低爆破对围岩的一次性扰动,同时采取应力释放孔、应力解除爆破孔等辅助措施提前释放围岩应力。

硬岩隧道掘进多臂协同钻孔技术研究

为实现硬岩隧道掘进机械化施工,提高三臂凿岩台车应用于硬岩隧道掘进时的施工效率,对三臂凿岩台车钻孔定位精度、多臂协同钻孔路径优化进行了研究分析。首先,基于D-H法建立三臂凿岩台车运动学模型,通过蒙特卡洛法得到三臂凿岩台车的有效工作空间,采用RBF神经网络算法实现钻臂钻孔的精确定位;其次,以钻臂末端移动距离最短和钻臂运动过程中各关节变量之和最小作为优化目标,提出一种改进遗传算法对三臂凿岩台车进行孔序优化,并与蚁群优化算法和自适应遗传算法两种现有孔序规划算法进行对比;最后,以两种不同方案钻孔顺序和所划分工作空间对多钻臂协同钻孔碰撞干涉进行仿真数值模拟分析。数值模拟结果表明:(1)3个钻臂的钻孔定位误差最大为2.94 mm,误差控制在3%以内;(2)与两种现有孔序规划算法相比,以钻臂末端移动距离最短作为优化目标时,3个钻臂末端行驶的总距离分别缩短了5.39 m和10.84 m,以关节变量之和最小作为优化目标时,3个钻臂的各关节变量之和分别减少了2.76 rad、5.34 rad;(3)以最短距离所得钻孔顺序进行钻孔作业时,中间钻臂与左右钻臂之间最短距离分别为984.6、580.8 mm,各钻臂之间不会发生碰撞干涉,以关节变量最小孔序方案钻孔作业时,综合钻臂结构尺寸及安全性,中间钻臂与左钻臂之间最短距离为193.5 mm,可能发生碰撞。综上,RBF神经网络算法可以实现钻孔精确定位,依据距离最短为优化目标所得孔序方案施工时可以提高三臂凿岩台车掘进效率,为硬岩隧道掘进施工提供了理论支撑。

禁爆条件下硬岩隧道静力开挖方法探讨

由于钻爆法的高振动和环境影响大等缺点,其应用受到限制。针对禁爆条件下硬岩隧道开挖,总结非爆破岩方法的机理与优缺点,探讨禁爆条件下硬岩隧道静力开挖方法,详细介绍硬岩隧道钻孔劈裂法的施工工艺,对市面上现有的劈裂设备进行简要介绍,探讨硬岩隧道劈裂施工中存在的问题及对策,并研究硬岩隧道劈裂施工中存在的风险及对策,以期为禁爆条件下硬岩隧道开挖提供思路和参考。

西南地区硬岩隧道岩爆处治技术及应用

隧道岩爆是硬岩隧道地质问题之一,岩爆处治是否成功,直接关系到隧道施工安全及施工质量,岩爆特征也因地区而异,为此,依托西南地区隧道施工,对隧道岩爆处治技术进行研究,分析总结了隧道施工阶段岩爆典型特征,针对岩爆实际发生的部位、频率、爆坑深度及范围,采取了一系列对应的处治措施,经施工实际检验,处治措施合理、有效、针对性强,保障了施工人员及施工机械设备的安全,实现了施工安全、质量及施工进度的全面控制,颇具推广价值。

防水型单层衬砌在青岛地铁硬岩隧道中的应用

在探讨青岛地铁硬岩隧道既往所用复合式衬砌问题的基础上,提出了防水型单层衬砌的结构形式。通过对该衬砌的技术特点及其在硬岩隧道中应用优势的分析,确定了在青岛地铁工程中使用该型衬砌的合理性。依托青岛地铁硬岩隧道试验段工程,对防水型单层衬砌的设计参数、施工工艺、质量控制措施进行了研究,并采用现场试验结果和监测数据进行了验证。结果表明:通过严格控制施工工艺和作业流程,防水型单层衬砌的高强喷射纤维混凝强度和抗裂性均满足硬岩隧道永久支护的要求;衬砌中喷涂防水层的应用,不仅较好解决了喷射混凝土防水抗渗性能差的缺陷,夹层较强的黏结力也使得多层喷射混凝土间能够形成共同承载体系;试验段隧洞内和地面各项监测数据均较为平稳。在硬岩隧道中采用防水型单层衬砌可避免传统复合式衬砌的部分固有缺陷,其力学性能、抗渗性能、夹层黏结强度均可满足地铁隧道的要求。

地铁双联拱硬岩隧道非爆破开挖关键技术研究

文章针对广州地铁双联拱硬岩隧道非爆破开挖施工过程中的技术难题,总结研究了超前地质预报、超欠挖控制、长台阶+下台阶拉坡道等关键技术,并对悬臂掘进机铣挖工艺进行了优化。研究结果表明,采用超前地质预报技术可以减少地质灾害风险,超欠挖控制技术可以提高开挖精度,长台阶+下台阶拉坡道施工技术可以适应大断面隧道开挖要求。同时,通过喷雾除尘系统优化悬臂掘进机铣挖工艺,可以有效控制粉尘污染。研究成果为今后类似工程提供了有价值的参考。

寒区硬岩隧道冻胀力的量值及分布规律

根据寒区硬岩隧道冻胀力产生的机理，推导冻胀力的计算公式，并以此得出冻胀力的分布规律服从正态分布。采用半公式半经验的方法，即“等效弹性当量系数法”计算出冻胀力的量值。衬砌结构所受的冻胀力是由衬砌结构与围岩之间积存的水体冻胀引起的，其方向始终垂直于衬砌结构。积存的水体深度主要取决于施工因素，可近似为毛洞超挖的高度。冻胀力的大小与衬砌结构和冰的弹性当量系数的平均值、围岩的弹性抗力系数的平均值、水的冻胀率和积存水体的深度等有关，其量值随围岩级别的不同而有所差异，通常情况下冻胀力取0．9～1．43MPa,而对冬季地下水仍很丰富的地区，其冻胀力取为0．92～2．31MPa。当其它因素一定时，冻胀力随衬砌结构弹性当量系数的增大而增大，说明衬砌结构刚度的增加对抑制冻害不利，因此衬砌结构宜柔不宜刚。

硬岩隧道快速掘进的钻爆技术

以秦岭隧道掘进为例 ,研究了实现硬岩特长隧道月进尺 3 0 0m以上快速掘进的钻爆技术。研究认为 ,选择与岩石匹配良好的炸药、优化掏槽方案、提高钻孔精度、用机制炮泥堵塞 ,是实现硬岩隧道快速、高效钻爆法掘进的主要对策。试验结果表明 ,采取上述措施后 ,炸药单耗降低了约 3 0 % ,每循环的炮孔数减少了 2 4% ,钻爆成本节减了近 2 0 % ,掘进速度保持在 3 0

城市硬岩隧道下穿砖木结构建筑爆破控制技术

青岛地铁一期工程3号线03标段区间隧道下穿济军第一疗养院口腔科医院,隧道埋深14m。为了将爆破震动的影响程度降低到最小,开挖过程中采用了大直径中空直眼掏槽、控制单段最大起爆药量的方法,将地表震动速度控制在1.5cm/s以内,确保了地面建筑物、附近交通干道的安全;同时应用孔外延期技术对爆破网路进行优化设计,减少了因雷管段别限制而增加的爆破次数,降低了爆破所需时间,取得了良好的经济与社会效益。

基于突变理论深埋硬岩隧道的失稳分析

在分析隧道开挖引起围岩扰动和损伤的基础上,运用突变理论探讨了深埋硬岩隧道失稳的机理;基于势能原理,建立了深埋硬岩隧道失稳的尖点突变模型,导出了失稳的力学判据条件。结果表明:深埋硬岩隧道的失稳不仅受岩体特性及所受载荷的影响,而且与围岩中弹性区刚度和塑性区刚度的比值有关;开挖过程中,围岩受扰动和损伤程度越大,岩体完整性系数越小,力学参数指标弱化程度越高,塑性区范围越大,刚度比越小,围岩系统发生失稳的可能性就越大。工程实例分析表明,分析结果与实际经验基本一致;研究成果可为预防隧道失稳、采取合理的施工工艺和支护措施提供参考依据。

硬岩隧道锚喷支护施工过程非线性有限元分析

聚丙烯纤维喷混凝土作为隧道锚喷支护中的新型支护方式,具有施工便捷特点,并可以改善混凝土的性能和耐久性。文章采用非线性有限元法对东巨寺沟硬质围岩铁路隧道进行了大断面开挖-锚喷支护施工全过程分析,分析了施工过程中围岩的位移变形、应力、塑性区分布特征,验证了隧道支护后的围岩稳定性和支护效果。

城市小断面硬岩隧道高压气体膨胀法掏槽破岩试验

为研究高压气体膨胀破岩技术在城市小断面硬岩隧道的适用性问题,在分析其破岩机理基础上,通过理论计算得出膨胀管内产气剂破岩的峰值压力,结合某地铁联络通道采用高压气体膨胀破岩技术试验了3种不同孔网参数的掏槽破岩方案,并对试验过程进行振动监测。结果表明:膨胀管破岩时可使致裂孔周围岩石产生大量裂缝,合理的掏槽致裂孔和空孔布置参数能取得较好的破岩效果,破岩方量最大可达3.5m^3;破岩过程产生的振动较小,隧道内管片和地面建筑物处测得最大振速分别为2.294cm/s和0.548cm/s,不会影响周围建构筑物的安全,证明该技术适用于城市小断面硬岩隧道的开挖,为高压气体膨胀破岩技术在城市小断面硬岩隧道工程的应用提供了技术参考。

下导洞超前施工技术在大断面山岭硬岩隧道中的应用

在大断面山岭硬岩隧道施工中,多采用传统的全断面、台阶法施工,往往由于开挖断面大、岩石坚硬、缺少爆破临空面等因素的影响,导致掏槽效果差、爆破震动大、爆破进尺小、炸药消耗多、开挖工效低、施工成本高等一系列问题。文章针对这些问题,结合大断面山岭硬岩隧道钻爆法的施工经验,总结、研究了下导洞超前法在大断面山岭硬岩隧道中的应用技术。通过施工实践证明,该方法可提高爆破效率、减少对围岩的扰动、超前排水降压、预防岩爆,达到降低施工成本、提高施工进度的目的,可为大断面山岭硬岩隧道的安全、快速施工提供借鉴。

城市硬岩隧道挂齿进洞爆破飞石防护措施

从理论上定性地分析了厦门市仙岳山隧道南洞口采用钻爆法施工时利用垒筑土包墙法、钢管架竹篱笆墙法和柔性垂帘棚架法防止挂齿进洞爆破飞石失控的合理性。

基于ADAMS 的全断面硬岩隧道掘进机主机耦合振动分析

为明确不同工况下TBM主机振动耦合规律,基于Adams软件,依据其结构装配关系和力传递关系,对TBM主机节点进行重新划分,引入非线性弹簧元件对油缸、轴承和齿轮啮合进行非线性等效,建立TBM主机非线性耦合动力学模型,并详细计算结构本身的刚度和结构间的非线性连接刚度。根据掘进地质条件,定义了全推力、上软下硬和转弯3种典型刀盘载荷,并对3种载荷下的振动进行分析。结果表明:(1)在全推力工况下,主机关键部件的振动最大,为低频的受迫振动;机头架的振动横向和纵向受到齿轮的耦合作用,在150 Hz左右的频率上存在耦合振动。(2)刀盘轴向最大加速度幅值为2.5g,从刀盘到主梁,机头架的振动衰减了约25%,主梁前段振动衰减了约55%,与已有全推力工况下实测结果相接近,证实了仿真计算的正确性。(3)根据对上软下硬和转弯纠偏2种典型工况的振动规律分析,刀盘的轴向力和速度分别减少约40%和80%。

城市硬岩隧道挂齿爆破防护技术探讨

通过总结城市硬岩隧道挂齿开洞爆破防护的经验教训,分析控制这种近距离大药量爆破飞石危害的几种防护技术与对策,讨论爆破冲击波和飞石对防护体的冲击力问题,并提出了适用于近距离大药量的爆破防护方案,该方案更加经济合理。

地下大跨硬岩隧道的设计施工技术

以福州市于山地下溜冰场的设计与施工为实例，探讨大跨度隧道的设计思路、施工方法、施工措施、树脂张拉锚杆工艺、微振光面控制爆破、监控量测等内容，为类似工程提供设计、施工经验。

基于弹性应变能的深埋硬岩隧道岩爆研究

隧道掘进引起的应力调整会导致围岩的弹性应变能分布发生改变,其中弹性应变能大幅跃升区域的围岩发生岩爆的可能性极高。依托米仓山特长隧道,采用三维数值模拟手段,基于弹性应变能理论研究了隧道掘进过程中弹性应变能的变化规律。研究结果表明:在高地应力条件下隧道掘进会导致明显的卸荷作用,引起围岩应力的重分布,从而导致掌子面附近区域弹性应变能剧烈改变,其中掌子面及其前方7 m范围内围岩的弹性应变能呈现下降趋势,掌子面后方围岩弹性应变能呈现增加趋势;拱顶部位弹性应变能增加幅度为3. 56倍、边墙部位弹性应变能增加幅度为3. 73倍、基底部位弹性应变能增加幅度为4. 66倍,存在发生岩爆的可能。