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。

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。

高应力软岩巷道变形破坏机理与控制对策研究

高应力软岩巷道由于地压大、地质条件复杂,预选支护形式往往不尽符合围岩变形、破坏特点。软岩巷道发生底臌及顶板失稳等现象,大多数是由于巷道周边弱支护与局部弱支护造成的。软岩巷道支护是矿山开采等地下工程维护面临的一个技术难题,而巷道底臌又是巷道围岩变形破坏的一种重要的形式。大量实测数据表明,在巷道顶底板移近量中约有50%～75%是由于底臌造成的。严重的巷道底臌,不仅带来了大量的维修工作,增加了巷道的维护费用。分析了高应力软岩巷道局部弱支护机理,阐述了巷道底臌与顶板失稳诱发原因,探讨了软岩巷道的破坏特点和变形规律,提出了一些认识和支护对策,为软岩巷道支护结构设计提供新的参考依据。

金川不良岩体分类及其巷道支护研究

根据岩组类型、岩体结构类型及其工程地质特征,给出了按稳定性划分的金川矿区工程岩体分类表,不良岩层为其中不稳定和极不稳定两类;分析认为,金川不良岩层具有岩体单块强度高等四个特点,不良岩层巷道围岩变形具有围岩变形量大和流变变形显著两个显著特点,据此给出了三条支护设计原则;根据在金川二矿区进行不良岩层支护试验的实践经验和金川不良岩层巷道支护原则,给出了适用于各类不良岩层巷道的支护设计方案。

金川矿区高应力破碎岩体条件下的巷道支护技术

金川矿区的工程地质条件复杂,岩体软弱破碎,地压大,约有25%的巷道处于不良岩层中,巷道支护是金川镍矿遇到的一个主要问题。作者对金川矿区不良岩层巷道变形及破坏规律进行了全面的调查研究,系统的总结了金川矿区采用的各种巷道支护方式的支护效果,尤其是对喷锚网支护、巷道注浆加固支护、多种方式联合支护进行了详细的阐述,并根据金川矿区多年来的工程实践,总结出了在类似的高应力破碎岩体条件下各种井巷工程的最佳支护方式。

高地应力软弱围岩隧道挤压型变形和可让性支护原理

软弱围岩深埋隧道修建遇到的挤压型围岩大变形问题,是山岭隧道工程中的难题。文章在对挤压型变形机制、判识方法和变形特征进行分析的基础上,介绍了挤压型变形围岩支护的可让性原则,从地层特征曲线和支护-围岩相互作用出发,阐述了可让式支护的原理并给出了相关的设计施工要点。

隧道围岩挤压变形预测方法研究

研究目的:围岩挤压变形预测是高地应力地区软弱围岩隧道勘察和设计阶段的一项重要工作。目前常用的临界埋深法和临界应力比值法均有局限性,迫切需要提出更加符合实际的隧道围岩挤压变形预测方法。研究结论:围岩挤压变形预测可采用强度应力比进行,建议采用Hoek-Brown经验强度公式和GSI法对岩体强度进行估算,F中地应力应取垂直于隧道走向的最大地应力。挤压变形破坏大都发生在F≤1的情况下,而剧烈挤压变形一般发生在F≤0.5时,可将0.5和1分别作为不同级别挤压变形的临界预测值。实践表明,采用F值法对围岩挤压变形进行预测是可靠的。

高应力区穿层大巷围岩变形特征及其控制

高应力区巷道支护技术成为制约煤矿安全生产的难题之一。魏家地煤矿1070运输大巷受高应力软岩及穿层构造的影响,经过多次返修,仍然处于不稳定状态,变形严重,影响巷道的安全使用。分析了高应力来源,1070运输大巷的破坏特征和形成原因,基于不同特征段围岩松动圈测试结果,提出了以锚网(索)加锚注为主的返修方案。现场试验表明:返修后巷道变形稳定且在允许的范围内,该返修支护方案是合理的。

软弱夹层对隧道围岩稳定性影响规律研究

宜巴高速公路石门垭隧道具有地质条件复杂、围岩软硬交替、高地应力等特点,施工过程中常发生围岩层状剥落、侧墙滑塌等现象,严重威胁隧道施工安全。为确保施工安全,有必要采取一些措施为实际施工提供技术指导,采用FLAC3D有限差分法分析软件,模拟分析了隧道含不同倾角及位置的软弱夹层时围岩的稳定性,通过分析围岩位移场、塑性区及应力场的分布特征,得出了软弱夹层倾角及位置对隧道围岩变形、破坏区及应力分布的影响规律。所得结论可为同类隧道的设计、施工和研究提供借鉴和参考。

含软弱夹层层状隧道围岩变形机理研究

堡镇隧道地质条件复杂,局部地段处于高应力区,围岩变形具有变形速度快、变形量大且破坏严重、持续时间长的特征。通过对堡镇隧道左线出口段围岩变形量测资料和掌子面地质素描的比较分析后发现,不论强度高、节理裂隙发育的砂质页岩,还是处于高地应力、强度低、围岩破碎的炭质页岩,掌子面有软弱夹层分布时,其变形破坏程度较相邻段同类围岩严重的多。因此,依据软弱夹层与掌子面围岩的典型组合情况,结合堡镇隧道所揭示的不同围岩室内三轴试验结果,建立了含软弱夹层围岩的力学模型,探讨了含软弱夹层围岩变形破坏的形成演化过程,揭示了高地应力条件下软弱夹层引起围岩变形失稳的机理。

隧道挤压型变形与支护特性研究

针对挤压型大变形问题,通过木寨岭隧道科研试验与相关资料分析,得出挤压型大变形具有变形量大、持续时间长的特点,一般两侧为变形优势部位。测试数据表明,刚性支护中围岩压力、拱架应力、锚杆轴力值均较大,其中拱架应力值可能超过材料屈服强度,边墙锚杆较拱部锚杆作用明显,围岩压力与变形增量呈反比关系;在挤压型变形隧道中允许有控制性地释放围岩变形,能够减小支护结构上的围岩压力,有利于隧道结构的长期稳定。文中阐述了可让式支护原理,对可让式支护结构预留变形量进行初步预测,数值计算表明,采用刚性支护将位移控制在较小的范围内需要足够大的刚度,而可让式支护具有能够允许围岩一定程度的变形同时减小支护结构受力的优势,可在铁路隧道中推广使用。

通二矿高应力软岩巷道支护研究

本文运用地质工程观，从巷道围岩工程地质研究入手，研究了通二矿高应力软岩的变形力学机制。采用预留刚柔层技术、预留刚隙柔层技术和锚杆三维空间优化技术等多种变形力学机制转化技术来提高围岩的强度及其均一性，达到维护高应力软岩巷道稳定的目的。实践证明效果良好，从而也证明了从地质工程观出发的支护研究的适宜性。

深部高应力软岩巷道矿压显现规律研究

在对石嘴山一矿38区+600 m轨道巷围岩收敛变形和矿山压力进行现场监测的基础上,利用线性回归得到巷道表面相对移近速度,分析并总结了深部高应力软岩巷道矿压显现规律,对引起巷道破坏的主要原因进行探讨,并提出采用不对称的锚网索复合支护形式,为类似软岩巷道的支护设计提供科学依据。

软弱夹层引起围岩系统强度变化的试验研究

堡镇隧道地质条件复杂,埋深大且地应力高,地下水丰富,岩体软弱破碎,隧道自稳能力差,存在顺层偏压。围岩变形具有"变形速度快、变形量大且破坏严重、持续时间长"的基本特征,同时又表现出时间上和空间上不均匀、不对称等诸多特性。通过对隧道左线出口段围岩变形量测资料和掌子面地质素描的比较分析后发现,掌子面有软弱夹层沿洞室径向分布时,其变形破坏程度较相邻段同类围岩严重得多,不同夹层厚度对围岩变形的影响程度也不同。因此,依据堡镇隧道开挖以来变形破坏程度最严重的高地应力炭质页岩段软弱夹层和围岩的典型组合结构,设计了不同厚度软弱夹层的三轴试验方案,进行了含软弱夹层围岩的室内三轴试验研究和三轴力学性质测试,描述了软弱夹层厚度为2.5 cm和围压为4 MPa时的全应力–应变曲线特征,探讨了系统强度变化规律,分析了围压和夹层厚度对系统强度变化的作用机理及特点。

对形变压力的认识--隧道围岩挤压性变形问题探讨

在高地应力背景下,隧道开挖造成岩体应力大幅度变化,软弱围岩松弛阶段的变形将达到很大的量级,这就是挤压性大变形的本质所在。国际隧协曾归纳总结的隧道结构设计模型中的"收敛-约束"模型可以十分贴切地说明支护和围岩在松弛变形发展过程中的相互作用。支护在同围岩共同变形中承受的荷载有别于隧道设计规范中规定的由离散岩体重量产生的"离散压力",可以称为"形变压力"。囿于对离散压力荷载的认识,很难找到处治挤压性大变形的合理途径。文章从形变压力的特性出发,对挤压性围岩隧道工程中的若干问题进行探讨,着重论述通过围岩变形的适度释放来缓解形变压力的处治理念以及与之相应的可让型支护和岩体锚固技术。

高应力松软破碎复合围岩巷道控制技术

以高应力松软破碎复合围岩控制技术为研究目标,深入分析了章村矿大巷所处的围岩特征和造成支架结构失稳的原因,相应采取了符合现场实际的针对性技术研究路线,根据不同巷道失稳的特点,分别采取了高强度长锚杆支护体系、方环形重型U型钢封闭支护以及松软破碎围岩注浆加固等综合措施,解决了该矿-200 m水平西翼大巷反复维修反复破坏的难题,为今后在这种非常复杂地质条件下的巷道维护及围岩控制提供了一条新的技术途径。

高应力软弱围岩回采巷道破坏机理及控制

针对赵固一矿11271运输巷大变形的难题,综合现场调研、地应力测试、钻孔窥视及理论分析等方法,对其变形特征及破坏机理进行了详细剖析,认为高应力、围岩软弱、强采动影响和现有支护参数不合理是11271运输巷围岩产生大变形破坏的主要原因,以高预应力与预应力扩散为原则、锚杆锚索协调支护和强帮支护作用机理为指导,对原支护方案进行了优化。现场实测表明,新支护方案下11271运输巷的两帮移近量和底鼓量分别为222 mm和110 mm,较原支护方案分别减少了72.3%和78.0%,可有效控制围岩变形,满足安全生产要求。

基于复杂应力软弱围岩的矿井建设支护研究

以西山煤电集团某煤矿回风巷为背景,分析研究了处于高应力条件下软弱围岩的支护方法。经过与普通围岩巷道进行对比,分析了软岩支护的难点,并采取了相应的支护对策。通过分析软岩巷道围岩变形控制理论,提出了软弱围岩锚杆(索)网联合支护方法。将锚杆(索)网联合支护应用于该回风巷,通过监测,从顶板、底板及两帮3方面研究了围岩的变形情况,结果显示,该支护方法取得了较好的效果。

高地应力软岩大变形隧道施工技术分析

依托成兰铁路项目高地应力软岩大变形隧道工程,通过对成兰铁路铁路沿线地质条件的分析,结合成兰铁路施工特点及软岩大变形分级管理研究,对隧道不同等级高地应力软岩大变形段采取增加预留变形量、长短锚杆相结合、多层支护体系、早高强喷射混凝土、衬砌背后设置消能缓冲层等措施综合防治。

高地应力软岩隧道超前导洞位置优化研究

以兰渝铁路毛羽山隧道为工程背景,利用数值模拟分析研究方法,优化研究超前导洞位于正洞的合理位置。通过建立超前导洞在不同位置的数值模型,从导洞开挖时的围岩变形情况、正洞扩挖后围岩变形情况及应力释放率三方面进行对比分析,研究了超前导洞位置对围岩变形的影响规律,确定了最优的超前导洞位置,以便结合监控量测数据指导高地应力软岩隧道施工。