干湿循环作用下石膏质岩隧道衬砌结构受力特征研究

基于室内三轴压缩试验获得干湿循环作用后石膏质岩的破坏特征及力学特性演化规律,结合数值模拟研究石膏质岩经干湿循环作用劣化后对隧道初期支护结构的力学影响规律。研究结果表明:随着干湿循环次数增加,石膏质岩破坏时剪切面减少,且岩样表面出现大面积岩块剥落;同时,泊松比增加,弹性模量和峰值偏应力降低,其中弹性模量劣化最为严重,同比降低约49%。在11次干湿循环后,水平位移于边墙最大,同比提高约1.5倍,竖直位移峰值出现在拱顶,同比提高1.2倍;初期支护各位置安全系数均降低,其中拱顶、墙脚和边墙出现大幅下降,分别下降约63%、36%和53%;初期支护结构的拱顶、墙脚和边墙为薄弱点,需重点进行加固和补强,以保证隧道安全运营。

含岩盐、石膏地层隧道内轨道结构变形分析

文章依托友谊隧道设计需求,采用现场调查、数值模拟等方法,对含岩盐、石膏段地层围岩膨胀、溶蚀软化等引起的隧道内轨道结构变形进行深入研究,分析岩盐、膏盐地层通过隧道结构施加于轨道结构的影响。研究结果表明:相对于隧道全断面受膨胀力影响,隧道基底膨胀力对轨道结构变形的影响更大。隧道基底含岩盐、石膏地层遇水软化、溶蚀对轨道结构变形影响较大,轨道最大沉降达到14.39mm。膨胀力引起的轨道结构上拱接近但小于轨道结构允许上拱量;溶蚀软化引起轨道结构的下沉量大于轨道结构沉降控制标准量。无砟轨道变形要求严格,综合考虑含岩盐、石膏地层膨胀及溶蚀发生部位的多变性以及地下工程的复杂性,该种地层隧道内宜采用有砟轨道结构形式。

FRP锚杆在石膏岩隧道中的支护效果研究

当前穿越石膏层的隧道工程越来越多,因石膏岩具有遇水膨胀、腐蚀性等危害,传统钢锚杆支护效果不理想。FRP锚杆具有轻质高强、耐腐蚀、工艺性优良等特点,将其应用于石膏岩隧道中能够克服钢锚杆劣势。以某穿越石膏层公路隧道为依托,重点研究了FRP锚杆与传统锚杆在石膏岩隧道中的支护效果,从围岩变形、锚杆受力情况、塑性区分布、初期支护应力分布、岩体安全度等方面,对其支护效果进行对比。研究结果表明:在遇水膨胀的石膏岩中,FRP锚杆在控制围岩变形、改善塑性区分布、减少应力集中等方面优于传统锚杆,尤其是在长期运营条件下,耐腐蚀的FRP锚杆可代替传统钢锚杆作为新型支护材料应用于石膏层隧洞支护中。

高速铁路膏溶角砾岩深埋隧道支护荷载确定方法

合理的支护荷载确定方法是膏溶角砾岩深埋隧道设计和施工过程中的关键科学问题。以石太客运专线太行山隧道累计穿越4 410 m膏溶角砾岩地层为依托,通过现场支护荷载量测试验,统计得到初支围岩压力和二衬接触压力。采用泰沙基理论、比尔鲍曼理论、谢家烋理论、铁路隧道设计规范和普氏理论共5种方法分别计算围岩压力,并与现场实测值相比较。结果表明:围岩压力以竖向为主,泰沙基理论值与现场实测统计值最为接近;围岩压力在竖向、水平分布模式不同于传统计算方法,推荐竖向压力采用双峰型或均匀分布,水平压力采用折线型分布;初支和二次衬砌共同承担荷载,二衬分担比例为50.1%。研究成果可为高速铁路膏溶角砾岩以及类似地质条件深埋隧道修建提供参考。

考虑软化效应的隧道围岩自稳时间解析模型

现行隧道自稳时间解析法中未考虑地下水的软化作用,导致过高估计亲水软化性岩石的围岩质量。以具有典型软化特性的石膏岩为研究对象,探索水的软化作用对隧道围岩自稳时间的影响。采用试验和理论相结合的方法研究围岩自稳时间。首先,进行不同浸水时间下的石膏岩软化试验,研究其软化规律;通过试验获得石膏岩吸水率、弹性模量和泊松比分别与浸水时间之间的定量关系;在弹性模量与浸水时间及泊松比与浸水时间的定量关系中,引入完整性系数和富水系数,建立岩体力学参数软化方程。然后,基于经典的圆形轴对称隧道弹性解,考虑掌子面对隧道轴向位移的影响,推导出隧道临空面处无支护状态下的位移公式;把岩体力学参数软化方程嵌入此位移公式中,获得考虑软化效应的临空面位移解。最后,在此位移解中引入活跃跨度和围岩的临界位移值,建立考虑软化效应的隧道围岩自稳时间解析模型。该模型考虑了围岩体工程特性、岩石力学特性及岩石软化特性,能输出自稳时间与活跃跨度之间的关系曲线。经自洽分析法检验,该模型中自稳时间随各参数的变化规律与实际情况相符,模型具有自洽性。模型被应用于评价礼让隧道石膏围岩的自稳时间,现场反馈结果表明该模型更适合于现场应用。

隧道石膏质围岩溶蚀及溶出特性试验研究

石膏质岩的溶蚀对隧道工程的建设及运营极为不利,研究其溶蚀机理及其影响因素,可为此类隧道的建设提供参考。宜巴高速公路部分隧道通过的地层含有石膏质岩,为了研究其溶蚀及溶出特性,利用X-衍射试验仪、自制简易溶蚀装置、离子色谱分析仪从宏观角度研究其溶蚀、溶出现象及其规律,利用环境扫描电镜从微观上观察其溶蚀机理。结果表明,研究区石膏质岩在地下水的作用下易溶蚀,溶蚀后强度性质变差,同时溶出大量的硫酸根离子于环境水中。影响石膏质岩溶蚀的因素多而复杂,动态水环境将使其溶蚀作用更强烈,并且水流流速越大,溶蚀特征越明显。弱酸性环境的水溶液也会促进溶蚀作用的进行。温度通过影响石膏质岩在水中的溶解度,从而影响其溶蚀量及溶蚀速率。石膏质岩溶蚀后会降低隧道围岩的稳定性,溶出的酸根离子对混凝土衬砌结构产生中等腐蚀,在隧道建设中应注意采取相应防治措施,避免工程病害的发生。

隧道石膏质围岩强度特性试验研究

以宜昌—巴东高速公路凉水井隧道出露的石膏质围岩为研究对象,开展了不同含水率、不同干湿循环下的石膏质岩单轴压缩试验,探讨其强度软化特性。利用微观电镜扫描石膏质岩遇水及干湿循环后微观结构,分析其强度劣化机理。结果表明:石膏质岩强度较低,属于软岩,强度及变形指标随含水率变化十分敏感,遇水软化特性显著,试样的抗压强度、弹性模量、变形模量都随着含水率的增大而降低,并与含水率呈现良好的函数关系,泊松比随着含水率的增大而近似呈现增大的趋势;干湿循环作用对石膏质岩力学性质劣化明显,抗压强度、弹性模量、变形模量随着干湿循环次数的增加而不断降低,并与干湿循环次数呈现良好的对数关系,泊松比随着干湿循环次数的增加而增大,但增幅有限;微观电镜图片显示水对石膏质岩结构破坏特征显著。石膏质岩的不良特性将对隧道建设产生不利影响,隧道施工中注意采取相应的防治措施。

石膏质岩膨胀特性的试验研究

石膏质岩分布广泛,其膨胀特性对公路隧道支护结构的设计影响巨大。为了研究石膏质岩的膨胀特性,以宜巴高速公路凉水井隧道区出露的石膏质岩为研究对象,通过硬石膏岩粉末进行模拟研究,分别开展了自由膨胀率、膨胀率及膨胀力试验,在此基础上分析了石膏质岩膨胀特性的影响因素。

石膏岩隧道衬砌支护设计方案优化研究

在地下工程建设过程中常会遭遇到大量不良地质区段,尤其是石膏岩等软弱膨胀性岩层,会对隧道衬砌产生极大危害。为此,迫切需要进行石膏岩隧道衬砌支护优化设计研究,建立相关评价方法。建立了围岩和支护稳定性评价办法及衬砌结构安全性评价办法,衬砌结构安全性通过钢筋混凝土结构的强度安全系数进行评价,围岩与支护稳定性通过强度折减法的系数评价。并基于某特长隧道石膏岩段工程案例,模拟原支护方案并采用该评价方法对衬砌支护进行优化。运用该评价方法可指导设计和施工的进行,使设计方案的稳定性、可靠性得到定量分析和较为准确的评价。

中梁山隧道穿越石膏段施工技术研究

文章依托重庆市轨道交通一号线中梁山隧道,对石膏地层的工程特性进行了分析研究,详细地介绍了中梁山隧道安全通过石膏地层段的施工技术;并采用数值模拟手段对施工方案进行了研究,为膨胀性围岩隧道工程设计及施工积累了经验。

膏溶角砾岩隧道开挖过程中围岩压力及位移变形分析

太行山隧道是以特殊性岩体Ⅴ级角砾状泥灰岩(膏溶角砾岩)为主的客运专线隧道,通过对这一特殊岩体隧道的监控量测,掌握了隧道在开挖中的变形及周边位移发展机理和围岩压力的变化规律,优化施工和支护参数,并可用以指导类似工程的设计和施工。

青山水库输水工程石膏岩洞段支护衬砌设计方案优化研究

新奥法施工需要充分利用围岩的自我承载力,对自我承载力较差的洞段实施比较困难。文章以青山水库输水工程石膏岩施工段为例,对开挖施工过程中的支护衬砌原方案进行优化调整,提出优化设计方案,利用数值模拟的方法进行优化方案的安全性分析,结果显示:优化设计方案下的围岩安全系数完全满足评价标准要求。

礼让隧道工程地质水文及设计施工建议

通过收集、整理与分析相关资料,对礼让隧道工程地质中的地形地貌、地区岩性、地质构造、各种不良地质条件以及礼让隧道的水文地质条件等进行了分析。基于上述分析,提出了礼让隧道的工程地质评价及针对岩溶、石膏岩膨胀性、石膏岩腐蚀性的施工设计建议。对同类穿越石膏岩地层的隧道具有参考价值。

红层段地下水侵蚀性及岩层中石膏对某山区铁路的影响分析

结合某山区铁路红层区域地质勘探调查结果,对该段石膏盐岩层分布状况、环境水侵蚀性进行了统计分析、评价。结果表明:石膏盐岩层为层状分布,厚度以毫米计,地下水侵蚀性作用等级较低;石膏岩盐层并未带来硫酸根侵蚀性的显著增加;由于地下水通道的差别,侏罗系地层侵蚀性强于白垩系地层。根据施工揭示:该红层内薄层石膏的膨胀性对工程影响很小;堵塞排水管道的结晶物并非石膏;石膏层岩体的切割作用对隧道围岩整体稳定性影响很大,小进尺开挖、及时初喷初支可以很好地解决该问题。

高地应力石膏质岩隧道病害统计分析

为了明确高地应力石膏质岩隧道病害特征、探明病害灾变机理,提出合理有效的处治措施,以某高地应力石膏质岩隧道为例,跟踪与监测了隧道病害的发展过程,统计分析了隧道病害分布数据,总结了隧道主要病害段最大主应力、地层岩性、岩石单轴抗压强度、地层特征、典型病害类型及病害处治措施。结果表明:高地应力石膏质岩隧道病害类型主要为衬砌裂缝、路面隆起及翻浆冒泥、水沟及电缆槽挤压变形、衬砌掉块、路面与电缆槽离缝、衬砌渗漏水、混凝土腐蚀等,其中,规模最大的病害是衬砌裂缝,纵向裂缝和环向裂缝占总裂缝数的36.1%和46.4%,纵向裂缝最大长度大于斜向裂缝和环向裂缝;高水平地应力条件下衬砌裂缝主要分布于边墙,衬砌掉块主要位于拱顶和边墙;衬砌渗漏水主要发生在拱腰处;路面隆起常伴随路面渗水、翻浆和冒泥病害的发生;高地应力石膏质岩隧道病害具有类型复杂、持续时间长、复发率高的特点,含石膏岩且围岩节理裂隙发育区段,隧道病害类型多、病害严重程度大,混凝土腐蚀病害区段围岩均含有石膏岩;高地应力石膏质岩隧道病害发生的主要原因是高地应力作用、石膏质岩膨胀软化和硫酸盐侵蚀,在这些因素综合作用下隧道病害逐渐加剧并呈集中爆发态势,地下水是隧道各种地质因素病害的催化剂。

石膏岩隧道衬砌结构防腐技术试验研究

为解决石膏岩隧道的衬砌结构腐蚀问题,应用自行研制的石膏岩腐蚀试验装置,采用正交设计,对6种混凝土腐蚀性影响因素进行试验研究。并根据工程现场钢筋所处腐蚀环境,试验研究钢筋在不同硫酸盐浓度及干湿循环条件下的腐蚀程度。试验结果表明：各影响因素对混凝土腐蚀性的影响程度由大到小依次为：铝酸三钙含量、硫酸根浓度、水压、时间、强度、抗渗等级;硫酸盐溶液的浓度越大,对钢筋的腐蚀性也越大;但当硫酸钙浓度达到一定值后对钢筋的腐蚀作用便不再明显;干湿循环条件下硫酸盐对钢筋的腐蚀性更强。根据室内试验所得石膏岩隧道对混凝土结构的腐蚀特点,研制了纳米防腐涂料,经室内及现场验证,该涂料防腐效果良好。

杜公岭隧道工程地质特征及工程危害性分析

为查清杜公岭隧道工程地质条件与隧道病害间的关系,通过对杜公岭隧道工程地质条件的论述,分析了隧道工程地质特征,探讨了各类地质因素对隧道工程的潜在危害与风险。结合杜公岭隧道工程建成运营后出现的隧道病害与检测情况,系统地分析了多种工程地质因素对隧道工程产生危害的作用机理。研究表明:杜公岭隧道工程地质危害性是由地层岩性、地下水、岩溶、地质构造等多种地质因素共同作用的结果。在这些影响因素中,地下水显化并加剧了隧址区各种工程地质因素,促使隧道围岩产生软化膨胀、隧道衬砌支护结构附加荷载增加、隧道衬砌混凝土结构遭受硫酸盐侵蚀等;岩溶为地下水的流通与汇集提供的途径,使得大气降水对其快速补给,并在局部区域汇集;围岩中的石膏岩在地下水的作用下产生膨胀,并为地下水的腐蚀提供了硫酸根离子供给;各类危害行为相继出现、互相交织,对隧道衬砌结构从不同的方面造成了损害,使其隧道衬砌呈现出不同的病害表现形式。因此,隧道工程的安全性与稳定性常受控于隧址区工程地质条件,而由于现有技术与人类认知的局限,无法实现对隧址区工程地质信息的透明化获取与工程危害性的精准预判,使得隧道工程建设常面临较高风险。

硬石膏岩膨胀力学试验研究进展及展望

为了进一步认识和加深对硬石膏岩膨胀特性的研究,采用文献综述的方法对硬石膏岩膨胀力学试验进行了较为系统和详细的归纳与总结,分析了各因素对于硬石膏岩膨胀的影响。试验研究结果表明,岩石含水率、溶液浸泡时间、离子浓度、温度、水压等诸多因素对硬石膏岩的膨胀力学特性有着显著的影响。岩石含水率增加,岩石单轴抗压强度、弹性模量、变形模量降低,泊松比近似呈现增大的趋势。岩石单轴抗压强度与硬石膏含量、硬石膏水化率三者在空间上呈现"飞鱼"状的不规则曲面关系。岩石单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量和软化系数等力学参数随着浸泡时间的增加、溶液温度的上升和溶液离子浓度的增加而减小。随着水压的增大,岩石弹性模量和峰值强度增大促进岩石膨胀的激活,导致膨胀性增加。硬石膏水化为石膏引发的膨胀受温度影响较大,温度超过48.8℃时,硬石膏平衡浓度低于石膏平衡浓度,硬石膏无法水化为石膏。硬石膏岩的硬石膏含量及厚度达到一定程度时,表面水化生成的石膏作为密封保护层阻止硬石膏岩进一步水化。基于试验研究成果,对穿越硬石膏地层隧道的工程实践措施进行了分析,结合现有试验研究存在的不足,对未来硬石膏岩的研究方向进行了展望,对未来研究硬石膏岩提供一定的借鉴与指导。

干湿循环影响下石膏质岩的强度特性及围岩分级研究

石膏质岩是一种具有膨胀性的岩石,在公路勘察设计阶段运用标准规范对石膏质岩隧道进行围岩分级往往不能满足施工要求。为了解决这个问题,对石膏类矿物含量各异的岩样在干湿循环条件下进行了饱和单轴抗压强度试验,得到了石膏质岩在干湿循环影响下的应力应变全过程曲线。通过对比饱和岩样的单轴抗压强度特性,总结了石膏质岩受干湿循环影响的强度特征,并且提出了针对石膏质岩隧道围岩分级的定量方法。

膨胀岩隧道围岩膨胀参数反演分析

隧道穿越膨胀岩地层时,围岩在地下水作用下产生膨胀,导致衬砌结构承受较高的不均匀膨胀荷载而破坏失效。以穿越石膏质岩地层的某隧道为例,根据典型断面病害数据,采用岩土工程数值分析软件FINAL对围岩膨胀参数反演。结果表明,隧道围岩最大膨胀半径与膨胀系数密切相关,膨胀系数越大,最大膨胀半径越大;病害类型为边墙挤压变形、路面翻浆冒泥的断面(K299+250),围岩最大膨胀半径为19 m,膨胀系数为0.385;病害类型为衬砌裂缝、掉块、渗漏水的断面(K305+730),围岩最大膨胀半径为11 m,膨胀系数为0.37。