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。

高地应力条件下隧道多力学特性锚杆模型及应用研究

为解决FLAC3D中Cable模型无法模拟锚杆(索)断裂失效,因而难以合理分析复杂地质条件下围岩稳定性的问题,采用数值计算手段对锚杆模型进行改进,提出锚杆(索)的失效判据,基于FISH语言修正Cable模型法向及锚固剂轴向本构关系,并将算法嵌入到运行程序中。结合Link模型构建多力学特性锚杆模型(MMC模型),并通过开展锚杆拉拔及模拟试验,对MMC模型进行验证。以月直山隧道工程为背景,构建隧道支护算例,对比Cable模型及MMC模型在工程模拟分析中的应用效果。结果表明:1)修正后的锚杆及锚固剂轴向本构模型包含破坏失效阶段,符合锚杆实际力学行为;2)锚杆拉拔试验模拟结果和真实试验结果接近,最大误差为2.9%,说明MMC模型能够合理模拟真实锚杆的受力及失效破坏特征;3)MMC模型在工程模拟中能直观地展现破断失效位置,且能够模拟锚固系统失效,而Cable模型在锚杆达到破坏条件后仍持续为围岩提供支护力,计算结果与实际存在较大偏差;4)MMC模型扩大了FLAC3D的应用范围及适用性,提高了锚杆支护的模拟能力。

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。

深埋隧洞软岩变形控制和应力拱圈形成分析

就深埋隧洞在高地应力软岩环境应力拱圈的形成、应力拱圈的强度和围压作用,以及围岩变形控制机理进行论述。分析超前地质预报、减少围岩扰动、数学模拟及监测、主动让压支护、围岩约束平稳过渡对变形控制及应力拱圈形成的作用,以及分析主动让压支护成功案例,阐明控制围岩应力释放的同时又及时提供围压的主动让压支护体系和使围岩约束平稳过渡的措施可以推动应力拱圈形成,能承担高地应力环境下的压应力。

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。

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。

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。

高地应力陡倾顺层围岩隧道锚杆支护优化设计研究

我国西南地区铁路沿线地形高差大、地质构造复杂,其隧道工程具有埋深大、构造应力强、围岩条件复杂等特点,给设计及施工带来巨大挑战。依托某板岩隧道的地质工程背景,针对高地应力陡倾层状围岩,首先分析锚杆的支护作用,后通过离散元数值模拟的手段研究锚杆在隧道中的支护效果,并对其进行优化设计。结果表明:陡倾顺层板岩隧道在垂直结构面处将发生结构弯曲变形和岩石变形,在平行结构面处以岩石变形为主;高地应力下陡倾层状板岩隧道随着锚杆长度的边墙收敛有所减少,竖向变形影响不大,可当隧道锚杆长度达到一定长度时对隧道结构稳定性增加效果不佳;针对陡倾层状围岩变形机理,边墙处采用长锚杆、仰拱拱顶处采用短锚杆(锚杆的非等参)设置即可控制隧道收敛变形,在其他方向的变形及围岩塑性区大小也可达到全环锚杆相同的效果。

高地应力铁路特长隧道施工技术研究

本文主要介绍了在新建铁路川藏线拉萨至林芝段岗木拉山隧道施工中,由于施工区域位于青藏高原地质构造带,受地壳板块运动影响使得该区域地质应力高度集中,加之隧道长度较长埋深较深,使得隧道周边存在高地应力现象,从而造成隧道在施工过程中产生岩爆状况,不但增加了施工难度,而且对施工人员及机械设备均产生很大安全隐患,同时也对隧道施工质量及施工进度产生严重影响。为保证隧道施工质量及人员设备的施工安全,项目部采取多种措施,最大程度地减少了岩爆发生的频率,提高了洞内施工安全系数,保障了施工人员及机械设备的安全。而且也减少了因高地应力现象造成的初支开裂、洞内掉块或塌方状况的发生,减少了返工处理的工作量,不但提高了施工质量,节省了施工措施费用,而且也大大加快了施工进度。该高地应力铁路特长隧道所采取的施工措施也为后续类似施工提供了借鉴和参考。

锦屏水电站辅助洞岩爆特征及防控技术研究

随着我国隧道建设规模和建设速度不断提升,隧道修建的深度、长度及地质条件复杂程度也随之增加,高地应力岩爆是隧道安全施工面临的重大隐患,合理的岩爆防控技术是保证隧道安全快速穿越岩爆段的关键所在。本文依托锦屏水电站辅助洞工程,通过文献调研和统计分析等方法,研究了岩爆发生的时间和空间特征,分析了现场岩爆段施工分级防控措施,介绍了锦屏辅助洞岩爆治理的成功经验。研究成果可为同类工程的施工提供技术资料和经验借鉴。

公路隧道围岩变形机理与支护结构受力分析

针对公路隧道围岩发生大变形机理问题,对某隧道进行了围岩变形、围岩压力、钢拱架应变、锚杆轴力监测,探讨了在隧道断层处采用上下台阶法开挖不同施工阶段围岩变形规律和衬砌受力特点,并结合隧址区围岩贮存环境、围岩性质、地质构造因素对围岩变形机理进行分析。监测结果表明:上台阶开挖后围岩变形和钢拱架应变快速发展,分别占总变形量的55%和73%,且围岩压力和衬砌变形在空间内均呈现出离散分布的特点,拱顶锚杆锚固力未达到设计值。后期施工时应尽快使初支闭合,必要时采取“非对称支护”方式,锚杆施工时将端头与初支结构焊接能有效提高锚杆抗拔力。

近距平行构造环境中片岩公路隧道大变形机理及判别

近距平行地质构造环境中的得荣一号隧道开挖掘进至深埋段以来曾多次出现大变形问题,严重影响施工安全并制约工程建设工期。为采取有效防治措施以控制隧道围岩大变形,根据大变形洞段监控量测数据、围岩变形特征及初期支护变形破坏特征,对隧道围岩大变形的受控因素、变形破坏机制进行综合分析。研究结果表明:隧道围岩大变形是在软弱围岩、破碎岩体结构、高地应力、地下水及严重偏压等因素的相互耦合作用下,受工程因素的促发影响,主要由软岩塑性流动变形、塑性剪切滑移变形、陡倾层状弯曲变形和累进性松脱扩展变形机制复合而致。在此基础上,根据现行交通行业规范结合隧道大变形洞段变形特征,总结公路双车道隧道施工现场围岩大变形分级判定综合指标方案,为指导隧道施工设计提供合理、可靠的依据。

高地应力深部巷道开挖锚固特性的三维地质力学模型试验研究

为研究锚固支护条件下深部巷道围岩是否产生分区破裂以及岩锚支护对分区破裂的影响,以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,进行了锚固支护条件下高地应力深部巷道开挖三维地质力学模型试验。通过模型试验发现围岩应变呈现波浪形变化规律以及洞周锚杆受力出现拉压交替变化现象。通过与未加锚支护模型试验结果的对比,揭示锚杆对抑制巷道围岩分区破裂具有重要的作用,这为深入分析深部巷道开挖锚固特性和优化深部巷道支护设计奠定了坚实的试验基础。

基于可拓理论的高地应力隧道围岩分级法及应用

随着大量深埋特长隧道的修建,地应力问题特别是高地应力问题对围岩分级的影响愈发突出。围岩分级是一个复杂的矛盾问题,目前常用的围岩分级方法是选取固定的几个指标,然后采用集商、求和等方式进行评分分级。但有些围岩分级计算方法不能根据实际地质情况灵活地选取分级指标,而且有些分级指标之间存在相关影响。可拓学理论可将矛盾问题转化为相容问题,是一种值得探索和运用的方法。本文将可拓理论方法与高地应力隧道围岩分级相结合,建立基于可拓理论的高地应力隧道围岩分级法。该方法主要是通过选取能够反映和体现围岩分级的各项重要参数指标———岩石单轴抗压强度Rc,RQD指标,岩石完整性指标Kv,地下水状态指标ω,特别是考虑了地应力值σ这项重要指标,然后在物元理论、可拓集合论和关联函数运算的基础上,建立了隧道围岩分级的物元模型;通过实际的隧道围岩级别关联度的计算,最终确定围岩级别。通过可拓理论围岩分级的实际应用表明,该方法在高地应力隧道围岩分级中具有较好的适用性。

兰渝铁路木寨岭隧道岭脊段衬砌-围岩结构体系变形受力特征分析

木寨岭隧道实测最大水平地应力达到27.16 MPa,岩石强度应力比为0.49,处于极高地应力状态。针对木寨岭隧道施工过程中发生的初期支护大变形、二次衬砌开裂等情况,文章通过实测和数值模拟等方法,分析了衬砌-围岩结构体系的变形受力特征。首先,通过对比衬砌-围岩结构体系中有、无应力松弛区两种工况条件下衬砌应力集中系数的变化,分析应力松弛区的作用;然后,研究了应力松弛区弹性模量Er、应力松弛区厚度La、侧压力系数λ和隧道断面形状等因素对衬砌-围岩结构体系中应力分布的影响作用;进而简单分析了木寨岭隧道岭脊段衬砌开裂的原因。

高地应力作用下大理岩岩体的TBM掘进试验研究

滚刀破岩效率的研究主要集中在室内线性试验机破岩试验和数值分析2个方面,在工地开展TBM掘进试验尚不普遍。锦屏二级水电站采用3台TBM开挖隧道群,3台TBM在不同洞深(不同地应力)条件对大理岩岩体进行TBM掘进试验、岩石渣片筛分试验及大渣片统计分析,研究岩体条件、TBM机器参数、TBM运行参数对TBM掘进速度的影响及高地应力作用下岩体可掘性指数的变化。研究结果表明:在高地应力条件下,尽管TBM掘进速度随推力增加而增大,但推力超过一定值后,TBM并不在优化状态下运行,TBM的运行需与岩体条件及地应力条件相匹配。

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。

锦屏二级水电站长引水隧洞高地应力下开敞式硬岩隧道掘进机安全快速掘进技术研究

对开敞式硬岩掘进机在锦屏二级引水隧洞群中的应用经验进行总结和梳理,首先针对锦屏二级水电站高地应力下开敞式硬岩隧道掘进机(TBM)设备选型及掘进参数的优化进行研究,合理确定设备结构及掘进参数;采用BEAM,TSP,地质雷达等手段综合开展掌子面前方超前地质预报,取得良好的预报效果,并制定相应的预处理措施。首次在国内水电工程中开展微震监测系统试验及应用,进行高地应力下岩爆风险预测预警研究,较为准确地预测了岩爆发生的大致范围,并开展一系列防岩爆支护措施的试验研究工作,取得较好的效果,有效降低岩爆风险和危害。最后,对如何实现TBM安全快速掘进进行综合分析研究,对今后开敞式TBM的选型和使用提供参考意见。

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。

高地应力下深埋隧洞软岩段围岩时效特征研究

"引大济湟"调水总干渠输水隧洞埋深大,地应力较高,其中穿越的洞段Ⅳ、Ⅴ类围岩占有较大的比例,在高地应力作用下围岩开挖卸荷后极可能出现大变形失稳、垮塌等,这些都极大地影响着TBM的掘进效率及施工进度。根据洞室开挖过程中实际揭示的围岩地质条件及变形特征,采用三维黏弹塑性数值方法,对围岩的流变特性与时效变形进行研究;在对实测地应力场进行分析基础上,结合围岩现场变形规律,对围岩蠕变力学参数进行了反演,进而对隧洞开挖区域的软弱围岩进行黏弹塑性数值分析,获得了规律性认识,为动态调整设计提供科学依据。