极高地应力软岩隧道非对称变形机理及支护优化研究

针对极大断面公路隧道施工中出现的非对称大变形问题,考虑高地应力第一主应力与隧道轴线关系、层状软岩夹层与互层状态、掌子面软岩空间不对称、地下水等因素,基于对工程地质条件、围岩与支护结构失效及破坏特征的分析,结合岩样物理力学特性室内试验研究及地应力实测情况,探究了非对称大变形形成机理并提出针对性的支护结果优化方案。结果表明:高地应力层状软岩隧道围岩不对称变形是在岩层倾角α、最大水平主应力与隧道轴线夹角β和岩层夹角γ、围岩岩性和地下水综合作用下的大变形,围岩不对称部位由以上几种因素共同决定;当主应力σ1与隧道轴线既不垂直也不平行时,会产生挤压性偏压构造水平地应力,使隧道横断面侧向受力不对称,发生偏压性非对称大变形;通过改变锚杆的布设方式、提高超前注浆小导管的长度和刚度、喷射临时封闭、在防水板与喷射砼间增加高密度橡塑海绵板缓冲层等措施,可以有效的减少变形量,防止围岩因开挖扰动而松动和坍塌。

高地应力软岩地层敞开式TBM法隧洞围岩变形控制技术——以香炉山隧洞为例

为解决敞开式TBM在滇西地区高地应力软岩地层施工中遭遇围岩大变形而导致的支护破坏、设备频繁被卡、隧洞侵限等工程难题,通过分析围岩允许变形量与变形规律,提出围岩控制时空原则:有效初期支护施作时间为开挖后15 d内、空间位置为距掌子面30 m范围内,TBM掘进日进尺不低于2 m/d。通过不同类型的支护结构现场试验,得出控制围岩变形的有效措施为预应力长锚索主动控制变形、灌混凝土箱体H型钢拱架被动强支撑。另通过滇中引水香炉山隧洞敞开式TBM施工实践,开发出“掌子面位置刀盘扩挖预留允许变形量、围岩出护盾灌混凝土箱体拱架被动强支撑、隧洞上半圆前置式自动化喷混凝土早封闭、预应力长锚索主动控制深层围岩变形、隧洞底部自进式锚杆后补强”等围岩变形有效控制技术。

高地应力软岩隧道长期稳定性分析

研究目的:高地应力软岩具有明显的流变特性,流变过程中岩体参数随时间发生变化。本文结合梁王山隧道的设计施工方案,采用Cvisc模型对其施工过程及运营期间的围岩和支护的受力和变形情况进行分析,查明了隧道在施工阶段和长期运营阶段的应力、应变和变形特性以及隧道支护结构的内力与变形随时间发展规律。研究结论:(1)在软岩隧道工程施工中,施工时应对隧道初支拱脚处适当加固,控制拱脚变形;(2)不仅要保证施工期的安全,更需要关注隧道在后期运营过程中的长期稳定性;(3)需根据全寿命周期内的围岩流变稳定状态设计支护结构的刚度,从而确保隧道结构长期稳定;(4)本研究成果可为高地应力软岩隧道施工安全和长期稳定性研究提供参考。

高地应力软岩隧道围岩大变形控制关键技术研究

高地应力软弱围岩隧道施工易发生软岩大变形不良地质灾害,进一步引发掌子面失稳塌方、初支结构破坏、钢拱架弯折、初支结构侵限等不良现象,严重影响施工安全,阻碍工期。依托九绵高速白马隧道工程,采用现场监测的研究手段,从围岩特性、施工工法、循环步距等方面系统分析白马隧道产生大变形的根本原因,并从围岩变形机理出发,提出了一套综合施工工法、支护措施等方面的软岩大变形防治方案,解决了高地应力软岩大变形隧道初期支护受围岩应力挤压收敛变形的难题,实现了隧道初期支护无开裂、扭曲、折断、侵限的目的,可为类似工程提供一定参考。

高地应力软岩隧道变形监测及施工控制技术探析

为探索高地应力软岩隧道开挖施工期间围岩及支护结构变形程度,并加强施工控制,以某公路隧道为例,对地应力、收敛变形、围岩接触应力及钢拱架应力等进行监测分析;从超前导洞应力释放及加强监控测量等方面对高地应力软岩隧道变形控制技术进行研究。结果表明,高地应力、水平主应力峰值和隧道轴线大角度相交等是引起隧道变形的主因;通过提升支护结构刚度、加强变形量预留控制、采取超前导洞应力控制释放技术等措施,能有效减缓围岩变形速率,保证高地应力软岩隧道开挖施工安全与工效。

高地应力软弱薄层状千枚岩地层软岩大变形隧道施工技术要点分析

本文结合天陇铁路先期开工段杜家沟隧道千枚岩软岩大变形隧道当前隧道施工方法、变形规律进行了分析总结,从开挖工法、监控量测预警分级控制、质量控制、工序衔接等各方面对软岩大变形隧道施工安全质量风险控制进行了总结,对高地应力软岩大变形隧道防止初期支护侵限、避免换拱等方面的技术措施进行了分析总结,为同类工程施工提供了经验。

高地应力软岩隧道大变形支护探究

高地应力和软围岩对隧道的设计和施工提出了一系列严峻挑战,当隧道处于高地应力互层软岩中,易发生较大的变形和流变。基于变形机理的把握,本文分析了高地应力软岩特征及支护措施,以期对高地应力软岩隧道大变形支护提供一定的理论支撑。

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。

高地应力软岩隧道初支侵限诱因及控制措施研究

高地应力软弱围岩隧道施工易发生软岩大变形不良地质灾害,进一步引发掌子面失稳塌方、初支结构破坏、钢拱架弯折、初支结构侵限等不良现象,严重影响施工安全,阻碍工期。依托九绵高速白马隧道工程,结合工程特点,从围岩自身力学特性及高地应力软岩变形特征方面深入分析了白马隧道初支侵限机理,并针对此特点,提出了一套适用于软岩大变形初支结构侵限专项施工方案。研究结果表明,由于地下水的侵蚀,炭质千枚岩发生软化,岩体力学性质变差,自承能力降低,在高地应力持续作用下,围岩发生挤压大变形,进一步诱导初支侵限。变更支护方案后,6 m锚杆结合小导管注浆加固对围岩变形有一定控制作用,但6 m锚杆无法将松动区岩块锚固在稳定母体中,不能充分发挥锚杆悬吊能力,对围岩变形控制效果有限,无法满足现场围岩变形需求,建议采用8 m长锚杆。初支拆换过程中应实时监测围岩变化情况,明确围岩变化方向、速率、累计值等,并根据现场实时监测数据反馈施工,实时调整支护参数,确保施工质量。

基于主动支护的木寨岭隧道高地应力软岩大变形预应力锚索支护设计实践

为解决在建木寨岭特长公路隧道薄层极软岩在高地应力下发生的挤压性大变形问题,结合现场展开的工程地质分析、设计变更、监控量测工作,提出一种预应力长短锚索+W型钢带+柔性纤维网组合的基于主动支护的设计方案。该方案采用“先锚后支”的施工工艺,采用数值分析和试验段施工对设计方案进行验证。结果表明,预应力长短锚索组合的主动支护能够充分发挥锚索的锚固和悬吊作用加固围岩,提高围岩的抗剪能力,控制围岩形变能的释放态势,有效控制围岩变形,将初期支护变形控制在20 cm以内,减小约50%。在实际施工过程中对锚索防腐、锚索支护参数及锚索施工设备选型等进行优化调整,确保了隧道施工的顺利进行。

宁缠隧道高地应力软岩大变形控制措施研究

为解决高地应力软岩隧道在建设过程中支护及围岩不稳定、变形时间长、经常性设计变更的难题,通过分析国内外高地应力软岩隧道大变形控制措施成功案例,对隧道所处地应力和地质环境及其对应的工法与支护形式进行分类总结归纳,提出高地应力软岩隧道安全且经济有效的控制措施,并结合实际工程对研究成果进行分析验证。结果表明:1)宁缠隧道岩体极破碎,岩石强度低,围岩产生大变形的主要原因有极高地应力、地层岩性、节理及软化夹层、岩层产状及倾角以及人为因素的影响;2)考虑强度应力比和相对变形并结合地质构造情况对高地应力软岩隧道进行大变形分级,得出5级制分级更合理、精准;3)采取“抗让结合、柔度适度、共同承载”的变形控制理念,并通过预支护、支护、预留变形量、施工工法等措施相结合,可以有效地控制隧道大变形。

高地应力区隧道开挖围岩变形与应力研究

高地应力条件下隧道开挖时围岩变形与应力分布特点与常规认知有较大差异,给隧道设计带来巨大挑战。为此,文章采用数值分析方法,基于实际工程围岩性态特点,系统性地研究了围岩初始地应力状态与围岩等级对隧道开挖的影响。研究发现:随着围岩初始地应力的增加,围岩变形与应力快速增加,因此即使是同一种围岩,地应力上升时仍需要相应提高支护结构强度;随着围岩等级的增加,围岩变形快速增加,围岩应力稍有减小,因此支护结构选择时考虑的最重要影响因素除了围岩等级外,初始地应力状态非常重要。

高地应力软岩隧道预留变形量设计方法

在弹塑性岩体中开挖隧道,若围岩无明显的流变性,支护施作太早将承受非常大的荷载,但支护结构并非越晚施作越好。如果支护结构刚度和强度设计不足,即使预留了变形空间,隧道仍可能因支护反力不足而发生大变形破坏。为确定合理的支护刚度和支护时机,基于GZZ强度准则采用大应变分析理论,考虑隧道扩挖影响,修正高地应力软岩隧道的围岩特征曲线。修正后的特征曲线与原始曲线有共同的起点,但随着变形增大逐渐偏离原始曲线;增大开挖半径会使特征曲线更高,这意味着支护结构需要提供更大的反力。因此,在工程设计时需要根据修正后的围岩特征曲线进行支护结构设计,避免因为支护刚度不足而发生大变形破坏。其次,基于初始地应力、围岩强度等参数对修正围岩特征曲线形态的影响,提出高地应力软岩隧道围岩最佳预留变形量的设计方法。当地应力较低时,特征曲线有明显的“最低点”,该点对应的支护反力最小,为最佳支护时机;在高地应力条件下,即使变形很大,围岩特征曲线也仍然未达到最低点,这是因为形变压力占主导,松散压力远小于形变压力。因此,在高地应力条件下,采用应力释放措施是有必要的,可通过特征曲线的曲率寻找最佳预留变形量。

高应力软岩巷道非对称变形规律及围岩控制技术研究

为了缓解高应力软岩巷道围岩变形严重的问题,以西部某煤矿区某软岩巷道为研究对象,在分析其工程地质概况的基础上,开展了高应力软岩巷道非对称变形规律及围岩控制技术研究,分析了煤层倾角对巷道非对称变形规律的影响,提出了采用改性树脂类注浆材料进行注浆加固的围岩控制方案,并进行了现场应用。结果表明:煤层倾角的变化对巷道顶板、底板及左右两帮的位移量影响较大,进而使巷道产生非对称性变形的现象;改性树脂类注浆材料能够显著提升目标高应力软岩巷道岩石的强度,起到良好的加固效果;目标高应力软岩巷道采用注浆加固措施60 d后,顶板、底板及左右两帮的位移量均比较小,围岩巷道变形现象得到了较好的缓解,现场应用效果较好。

深部高地应力软岩大断面巷道支护技术

为解决2902下顺槽岩巷段深部高地应力软岩巷道受施工条件、施工技术水平等限制,巷道成型质量差,支护难度大等问题,通过对巷道围岩地质力学参数测试,测试分析出巷道围岩强度、围岩岩性、地应力参数。并基于测试分析结果提出深部高地应力软岩巷道控制原则,确定支护方式为“锚网索+套36U型棚+锚索梁+复喷+注浆”复合支护技术,结合巷道的关键支护参数,对其进行了全面研究。由现场观测可知,采取复合支护技术后,巷道顶板的最大下沉量为24 mm,在掘进17 d后巷道顶板的稳定性得以提高,支护效果、顶板完整性较好,能够有效控制深部高地应力软岩巷道的围岩变形。

高地应力软岩隧道大变形机制及控制技术研究综述

高地应力软岩隧道常常会出现大变形灾害,为深入了解软岩隧道大变形的特征与机制,并消除大变形灾害,分析总结了近年来众多专家学者在大变形方面所做的研究,主要有:(1)在大变形的分级与判定方面,实际工程一般以破坏现象和相对位移量来对大变形进行分级,以围岩变形量、相对变形量、应力比等因素为判定依据;(2)大变形的主要因素有围岩强度、地应力和支护设计,大变形的破坏机制由多种因素共同作用;(3)目前在软岩隧道支护方面的理论成果主要有大变形预测、屈服支护原则、先让后抗理论等,软岩隧道控制技术方面应用范围较广的技术有强支、刚柔并济和联合支护等措施。总结内容可为探索高地应力软岩隧道大变形机制和大变形控制措施提供参考。

活动断裂影响区隧道高地应力软岩大变形特征分析及支护体系研究

为解决活动断裂影响区隧道建设过程中支护变形、开裂、破坏等问题,依托华丽高速东马场1号隧道进行研究。该隧道穿越程海—宾川活动断裂,施工过程中初期支护表现出变形量大、初期变形速率大且不易收敛、变形持续时间长、变形破坏不均匀等特点。受程海大断裂影响,隧址区地质构造应力水平高且以水平构造应力为主,断裂影响范围超过2 km。通过监测数据与试验结果分析,结合已开挖段隧道支护变形、开裂、破坏等情况,提出“长短结合、主动控制、分层支护、及时成环、预留内空”的综合支护体系。现场监测数据分析发现:1)优化方案实施后,累计沉降平均值增加了12.46%,累计收敛平均值增加了26.57%,这是由于工序增加、工序消耗时间长引起的。2)实施优化方案后围岩变形主要集中在第1层初期支护阶段,该部位本身开挖产生的变形值占总变形值的70%,其余部位开挖产生的变形值占总变形值的30%;第2层初期支护及仰拱施作后,变形速率明显降低,二次衬砌浇筑前变形速率可控制在0.8~1 mm/d。

高地应力隧道软岩大变形预测分析及控制措施

针对隧道穿越高地应力软弱围岩区段时易发生的大变形灾害,为保障隧道安全顺利施工,故在施工前准确进行大变形预测并制定合理的控制措施。依托最大埋深超过1 300 m的巫镇高速笔架山隧道,通过地应力实测数据建立有限元地质模型研究工程区地应力场;综合现有研究成果,建立大变形预测标准,基于此结合工程地质条件采用有限元开挖计算与地质分析预测法对围岩大变形类型、特征、机制及程度进行预测;根据所得围岩变形特征制定科学合理的变形控制措施。研究结果表明:隧道高程处地应力场由自重应力场主导,沿线围岩应力处于高—极高应力状态;开挖断面变形以拱顶、仰拱竖向位移为主,预测其将发生应力控制型大变形,最终围岩因拱顶下沉或边墙内鼓变形发生剪切破坏;隧道沿线约56.3%区段围岩会发生大变形,K25+631~K25+909、K26+422~K26+602区段在地下水软化作用影响下,出现严重大变形风险较大;根据围岩大变形预测结果针对笔架山隧道开挖提出相应的变形控制措施。

云临高速大亮山隧道高地应力软岩大变形处治关键技术

为解决高地应力软岩隧道建设过程中初期支护变形、仰拱隆起、二次衬砌压溃等问题,依托云临高速大亮山隧道展开大变形处治关键技术研究。该隧道大变形段具有如下特点:1)初期支护变形累计变形量大、变形速率高、持续时间长;2)仰拱隆起病害段落长、隆起高差大、受水影响大;3)二次衬砌开裂破坏形态为压溃式破坏、破坏位置位于拱肩和拱顶、破坏时机为突发性破坏、破坏时间为滞后二次衬砌浇筑数月等。通过对大亮山隧道软岩大变形段的地质条件、破坏特点、变形特征及补勘结论等方面综合分析,采用理论分析、工程类比、数值模拟和现场实测等手段,提出仰拱曲率优化-初期支护双层钢架-二次衬砌加强衬砌-洞周限位锚杆等措施的大变形处治设计方案后,开展试验段施工和研究。试验成果表明:1)试验段累计施工323 m,平均月进尺约43 m;2)试验段支护方案较原设计方案,初期支护最大周边收敛值由1.4 m减小至0.30 m,最大拱顶沉降值由0.80 m减小至0.52 m,日均变形量由7 cm减小至1~2 cm;3)隧道大变形得到有效控制,初期支护无开裂、掉块,仰拱及二次衬砌未出现病害;4)结合监测数据及现场情况,经分析总结试验段的综合支护体系方案较合理,大变形处治关键技术总体较成功。

新乌鞘岭隧道岭脊段高地应力软岩大变形控制技术

针对新乌鞘岭隧道岭脊段高地应力软岩变形问题,采用加强初支、铣挖法施工在软岩大变形方面取得了良好的效果。通过调整仰拱曲率、加大变形预留量、加强初期支护、超前预加固等设计支护措施,结合铣挖法开挖可有效减少对周边围岩的扰动,有效控制软岩塑性区的发展。研究表明:相比钻爆法,采用铣挖法开挖易于控制超欠挖,并大幅度降低对围岩的扰动。轮廓平均线性超挖由37 cm缩减至17 cm,超挖率由121%缩减至61%,喷射混凝土与岩面密贴性好,有利于提升围岩自承能力和初期支护的承载能力,可有效改善变形控制效果,提高软岩施工的进度及安全性,可作为高地应力软岩大变形控制的有效方法。