基于数据关联的兰新线某隧道应力状态感知与预测

地质灾害极易导致隧道结构损伤,严重威胁铁路运营安全。以兰新线某隧道所在山体发生地质灾害而导致隧道结构受损为例,采用数据关联分析方法,构建隧道应力与地表位移关联模型,分析结果表明:隧道应力差值与高家湾滑坡地表位移值呈高度线性相关性,隧道应力差值相对地表位移具有时间滞后性,且不同里程断面应力的滞后性存在“中间小,两端大”的差异性特征,滞后时间最小、最大位置分别位于加固段中部、加固段小里程端;运用隧道应力与地表位移关联模型中隧道应力各断面应力滞后性不同的特点,实现断面间应力差值精准预测,验证隧道应力相对地表位移的时间滞后性的准确性。有效关联了隧道-地表位移多源数据并形成隧道应力状态预测模型,对于实现隧道精准预警、补全缺省监测数据、降低监测冗余具有一定的参考意义。

高地应力特大断面隧道的适宜施工工法

为探索高地应力特大断面软岩隧道的适宜施工方法,以桐梓隧道为工程背景,通过现场监测和数值模拟,探索不同高地应力下的3种施工工法[三台阶、CD(cross diaphragm)法、双侧壁导坑法]的适宜性,从围岩变形、施工成本以及施工进度等方面评价施工方法的优劣。结果表明:Ⅴ级围岩:当隧道埋深为300、400 m时,适用三台阶法施工;当埋深为500 m时,适用CD法施工;当埋深为600 m时,适用双侧壁导坑法施工。Ⅳ级围岩:当隧道埋深为300~600 m时,都适用三台阶法施工。

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。

深埋高地应力TBM隧道岩爆发生机理研究

为分析高地应力隧道岩爆发生机理,以西南山区某新建TBM隧道为工程背景,通过室内岩石力学试验分析围岩基本力学特性,然后基于弹性力学理论建立板裂屈曲岩爆的力学失稳模型,最后通过离散元UDEC软件对隧道岩爆演化过程进行分析。结果表明:①隧道围岩满足发生岩爆的岩性条件,岩爆倾向性为中等~强烈;②拱顶板裂屈曲岩爆可视为围岩板裂结构在水平切向应力作用下断裂失稳所导致,劈裂岩体厚度为岩爆主要影响因素;③隧道开挖卸荷后洞壁围岩开裂剥离弹射破坏主要是张拉破坏造成。为保障隧道施工安全提供理论依据。

基于回归正交试验的高地应力TBM隧道变形影响因素敏感性研究

依托某国家重点铁路工程隧道穿越高地应力TBM施工段,通过精细化三维数值模拟与回归正交试验相结合,运用多元线性回归方法对试验结果进行研究,分析不同支护因素的敏感性并判明其对控制围岩变形起到的利弊作用,同时得到该试验的一次回归方程,为结构优化提供快速计算公式,以此来调整参数,优化支护结构。一次回归正交试验选取短锚杆长度、长锚杆长度、钢拱架间距、锚杆环向和纵向间距、喷射混凝土等级与地应力水平作为研究影响因素,采用L8(27)正交表,不考虑交互作用进行回归正交试验,计算常数项与各偏回归项系数,建立回归方程,对试验结果进行方差分析与失拟性检验。检验结果表明:因素地应力水平F值大于F0.001,地应力水平对围岩变形起到决定性影响,短锚杆长度、钢拱架间距与锚杆纵向间距的F值均大于F0.025,其均对控制围岩变形有显著影响;所建立的回归方程显著,失拟性检验不显著,回归方程具有较好的拟合程度。在设计施工时首先应考虑采取措施释放地应力,其次在选取支护参数时应将短锚杆长度、钢拱架间距与锚杆纵向间距纳入重点考虑内容。

高地温高应力隧道岩爆特征及机制研究

为探明高地温高应力隧道岩爆的破坏形式、时空分布特征以及岩爆高发段初始地应力、洞周二次应力和温度分布变化等特征,以川藏铁路拉林段桑珠岭隧道为依托,通过岩爆实录统计分析、现场测试和数值计算,探讨高地温高应力隧道岩爆机制。研究结果表明:高地温高应力隧道主要为即时型岩爆,在不同埋深段分别以剪切断裂型岩爆、应变型岩爆和断层滑移型岩爆为主;隧道拱顶、掌子面和边墙处岩爆形迹和破坏分别呈现不同特征,围岩降温区与剥落岩片厚度接近,开挖卸荷及降温耦合作用加剧了板裂化结构面的形成并加速了岩爆的发生。研究成果有助于准确预测类似高地温高地应力隧道的岩爆发生,并对制定有效的防治措施提供依据。

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。

相思岭连拱隧道中墙应力研究

根据三种方法计算的相思岭隧道的围岩压力 ,用有限元法分析了连拱隧道的中墙应力 ,通过与实测中墙应力值的比较 ,得到了确定中墙应力时较为准确的围岩压力计算方法 ,并分析了围岩弹性抗力对连拱隧道中墙应力的影响。

岩体三维精细本构理论与深埋隧道应力控制设计分析方法

向地球深部进军是必须解决的战略科技问题,深部岩体隧道的智能建造是当今隧道工程建设的重要发展趋势,采集精细化、分析精确化、控制精准化是智能建造的核心内容,也是制约深埋隧道高效、安全建造的主要瓶颈。传统计算模型没有反映深部岩体力学特征,模型参数主要由室内岩石力学试验或现场位移反分析确定,缺乏实时、快速、动态获取岩体参数并进行三维正分析和动态设计的方法;同时,现有的隧道工程设计分析思路主要是基于对变形的目标控制(变形控制),忽略了深埋隧道开挖过程中卸荷岩体应力分布和转移的过程调控(应力控制)机制。综合采用理论分析、数值模拟和试验测试等手段,研究高应力和复杂应力环境下深部岩体三维、非线性强度特征和力学行为,基于数字化原位测试获取岩体参数并进行三维(正)分析和动态设计,形成深埋岩体隧道三维设计分析理论和“应力控制”设计分析方法。本文主要创新成果包括:(1)改进了广义Zhang-Zhu(GZZ)岩体三维强度准则,克服了GZZ准则在高应力下的非光滑、非全凸的局限性,满足了深部岩体工程强度分析的需要。(2)建立了考虑围压和塑性剪应变的岩体峰后剪胀角模型,给出了模型参数(单参数)的正分析取值方法,提升了多参数岩体剪胀角模型在深部岩体工程中的适用性。(3)建立了考虑深部岩体三维强度和剪胀特性的非关联塑性流动法则及三维弹塑性数值计算方法,其正确性和可靠度得到了半解析解、模型试验和现场变形监测数据的验证。(4)提出了基于光滑GZZ强度准则的深埋圆形隧洞弹塑性半解析方法,揭示了深埋隧道轴向应力在塑性区的一致性软化规律,探讨了岩体质量、剪胀角、初始轴向应力、本构规律和强度准则对深埋隧道围岩稳定分析结果的影响。(5)提出了基于数字化原位测试的深埋岩体隧道三维正分析方法,克服了反分析方法和变形控制在深部岩体工程智能建造和动态设计中的局限性。(6)初步建立了深埋隧道应力控制的理论框架和设计分析方法,揭示了深埋隧道开挖面三维挤出变形规律和应力主轴旋转力学机理,阐明了中间主应力和三维应力状态对深埋隧道围岩稳定的力学影响机制,发现了超前核心岩体预挤出与预收敛变形的一致性规律。

极高地应力软岩隧道超前导洞应力释放及多层支护变形控制技术

为了解决极高地应力软岩隧道大变形控制难题,以兰渝铁路木寨岭隧道岭脊核心段施工为例,通过现场试验和数据分析,得到如下主要结论:1)提出了"先放后抗,抗放结合,锚固加强"的变形控制理念;2)得出了该隧道岭脊核心段"超前导洞应力释放+圆形4层支护结构+径向注浆+长锚杆+长锚索"综合变形控制方案;3)超前导洞应力释放效果明显,正洞累计变形减小幅度约为34%;4)得到了圆形多层支护结构变形规律;5)累计变形均控制在设计预留变形量内,保证了该隧道岭脊核心段大变形控制效果。

基坑开挖卸荷对侧方隧道的影响研究——以南京市某地铁车站基坑开挖为例

为研究基坑土体开挖卸荷对围护结构、墙后土体变形以及隧道的影响,针对南京地区地铁车站基坑开挖对侧方既有隧道的影响进行研究,借助有限元软件ABAQUS建立二维隧道-基坑数值模型,重点对隧道水平和竖向位移、隧道结构应力、支护桩水平位移以及基坑周边地表沉降进行分析。研究表明,由于拱顶处混凝土厚度较薄,抵抗变形能力较差,水平位移最大值出现在南侧隧道拱顶位置,基坑开挖过程中,第二和第三层土体开挖对隧道竖向位移影响最大;隧道结构的拉应力整体上随基坑开挖的进展呈现逐渐增加的趋势,第二层土体开挖对隧道结构的拉应力和压应力影响最大;隧道的存在会在一定程度上提高周围土体的刚度,使得土体变形减小,支护桩水平位移曲线呈现“两端小,中间大”,受隧道的“遮挡效应”影响,近隧道水平位移小于远隧道侧;基坑开挖过程中地表沉降变形形态呈“凹槽型”,隧道结构的存在能有效控制近隧道侧地表变形。

考虑蠕变特性的高应力软岩隧道变形预测方法与实践

为研究高应力软岩蠕变特性对隧道围岩变形预测的影响,以木寨岭公路隧道为依托,首先采用三维计算模型与多元线性回归相结合的方法分析初始地应力场,并结合围岩段落划分,选择典型计算断面;其次,提出基于[BQ]值的围岩参数取值方法,确定典型计算断面的围岩参数;而后,开展基于M-C模型和Cvsic模型的断面变形计算,剖析岩体蠕变特性对围岩变形的影响;最终,对比了预测结果与实际围岩变形。结果表明:(1)岩体蠕变特性对围岩变形具有明显增大效应,围岩位移增长量与横断面平均主应力呈正相关;(2)围岩条件越差,蠕变增大效应越显著;横断面平均主应力越大,蠕变增大效应中位移增长量越大,而位移增长率变化不明显;(3)蠕变特性对围岩变形等级预测有明显影响,M-C模型预测结果弱于Cvisc模型,与实际围岩变形情况存在较大差异。研究结果为在高应力软岩隧道变形预测中引入岩体蠕变效应奠定了实践基础。

深埋高地应力隧道不同支护时机求解方法对比研究

为确定深埋高地应力隧道的合理支护时机,提高支护结构质量,降低支护成本,依托某高原深埋高地应力隧道,采用安全系数法、位移增量法和塑性区法分别求解支护结构的合理支护时机,并对比分析不同支护时机求解方法的适用性。结果表明:1)3种求解方法计算得到的洞壁屈服分布规律是一致的,均呈现出拱顶和仰拱比拱腰和拱脚更容易发生屈服的规律;2)不同支护时机求解方法的求解结果不同,在同等埋深下,采用安全系数法计算得到的安全距离大于采用塑性区法和位移增量法计算得到的安全距离;3)通过工程类比法发现,采用安全系数法求解支护时机更为合理,而塑性区法和位移增量法相对于安全系数法过于保守。

预应力锚索支护技术在高地应力大跨径隧道挑顶施工中的应用——以渭武高速公路木寨岭隧道为例

为解决高地应力软岩环境下斜井进正洞交叉口挑顶施工难题,以渭武高速公路木寨岭隧道2^(#)斜井进正洞为工程背景,对原挑顶设计方案进行优化,基于高强预应力支护理论,提出以小孔径预应力锚索支护技术为核心的挑顶方案,取消原设计方案中的托梁和支撑梁,实现“以索代撑”。对小孔径预应力锚索支护结构和施工工艺、挑顶支护设计和实施方案进行研究,并采用该方案对木寨岭隧道2#斜井进行挑顶施工,围岩变形监测结果表明该方案安全有效。

敞开式TBM穿越高地应力隧道支护优化研究

依托国家重点铁路工程雅林段孜拉山隧道穿越高地应力TBM施工段,通过精细化三维数值模拟,分析在高地应力条件下,不同支护体系对围岩变形、塑性区深度、支护结构受力情况的影响规律。研究结果表明,在高地应力条件下,围岩的超前变形在总变形量中占比较高;较早的施作刚性较大的支护,支护结构所受压应力过大,进而导致初期支护的变形与破坏,降低施工安全性。选用超前支护、多次喷混凝土与长短锚杆相结合的支护体系,与原有施工方案相比,较好地控制了掌子面前方岩体超前变形,减小了围岩总变形量,降低了支护结构的应力水平,提高了围岩及支护的稳定性。

深埋陡倾薄层小夹角隧道大变形时空演化规律及支护效果评价

为探明某深埋陡倾薄层小夹角隧道大变形时空演化规律、评估不同支护方式抑制围岩大变形的效果,对该隧道一、二级大变形洞段设置了四个不同支护方式的试验段,并在每个支护试验段的拱顶和边墙等位置设置了7个测点用于进行断面收敛变形的长期监测。变形监测结果表明:不同支护方式的试验段中隧道边墙位置的收敛变形均较大。阐述了采用指数函数对变形演化监测结果进行拟合的过程,分析了不同支护条件下断面不同位置变形拟合参数a,b值的大小;最后,通过拟合参数值定量分析了断面不同位置的时效变形特征以及采取不同支护方式取得的效果。所取得的研究结果对于深部高应力隧道层状围岩变形破坏机制及支护方法的认识具有一定的启示意义[1]。

深部高应力隧道TBM护盾长度和推力计算方法研究

岩石隧道掘进机(TBM)法开挖长隧道是一种安全、快速、有效的隧道开挖方法,但TBM复杂高应力隧道掘进时易发生卡机事故,因此,TBM在设计之初应尽可能考虑地质环境的影响,降低TBM的卡机风险。通过分析高应力常规地层和高应力软弱破碎地层对TBM的影响,提出了高应力常规地层和高应力软弱破碎地层TBM卡机的两个判据。根据两个判据提出了考虑围岩力学参数的高应力隧道TBM护盾长度设计和推力设计理论计算方法,并给出了参数选取依据。最后依据西南地区某高应力隧道的实际围岩地质参数,计算分析了现有TBM设计的合理性。本研究可为TBM的盾体长度和推力设计计算提供围岩力学参数依据。