悬臂掘进机法在挤压性围岩隧道中的适应性研究——以木寨岭公路隧道为例

为探明悬臂掘进机法应用于挤压性围岩隧道的可行性与具体效果,以木寨岭公路隧道为依托,首先开展基于工程地质条件的悬臂掘进机法适用性分析;其次,结合工程实施条件,对悬臂掘进机进行选型,并设计2台阶悬臂掘进开挖方案;最后,依托工程试验段,重点从施工效能和实施效果2方面,开展2台阶悬臂掘进机法和3台阶钻爆法开挖的对比研究。研究结论如下:1)综合对岩石强度、开挖断面和工效3个因素进行分析,悬臂掘进机选型应重点考虑切割面积和切割功率。2)木寨岭公路隧道围岩按能否较好适应于悬臂掘进机法开挖,可划分为2类6种。3)对比3台阶钻爆法开挖的施工效能,2台阶悬臂掘进机法的施工进度提高20%,平均超挖减少150 mm,用工量减少5~10人,喷混凝土超耗量减少57%。4)对比3台阶钻爆法开挖的围岩位移、压力、拱架应力和锚索轴力,2台阶悬臂掘进机法中围岩压力减小0.01~0.11 MPa;围岩位移和拱架应力最终量值无明显变化,但分布更均匀、更快趋于恒值;锚索平均轴力增大39 kN。

变埋深下软弱破碎隧道围岩渐进性破坏试验与数值模拟

以一定范围内埋深(25～60m)的3车道公路隧道软弱破碎围岩(公路隧道IV级)为研究对象,研制相似模型材料和配套试验设备,再现开挖后围岩的渐进性破坏全过程,分析不同埋深下围岩的应力场特征。通过模型材料室内试验获取岩体相关计算参数,引入弹塑性损伤本构模型对试验工况进行有限元数值模拟,计算结果与模型试验吻合较好。综合模型试验和数值模拟结果,可以得出以下结论:(1)围岩破坏区是隧道塌落荷载的来源,主要集中在拱顶上方区域,在两侧边墙下方和拱底也有局部存在;(2)隧道埋深对围岩破坏区域大小有重要影响,随着埋深的增大,围岩破坏区域呈渐进扩大趋势;(3)围岩内的周向应力在隧道开挖后先升高而后逐渐降低,其最大值所在位置即对应压力拱位置,且该位置随着破坏区域的扩大而不断向围岩内部移动,形成动态压力拱现象;(4)通过对围岩内部周向应力最大值的测试来获取隧道压力拱范围,并进而确定围岩塌落荷载大小,这在理论上是可行的。

槽腔内岩石破碎介质运动过程的X射线摄影实验研究

掏槽是决定隧道爆破效率的主要因素,掏槽腔内岩石碎块的运动过程是掏槽爆破机理及参数设计的理论基础。岩石属非透明脆性介质,碎块在其内部运动过程的数学模拟和物理模拟都有较大难度。X射线具有较强的穿透能力,有用于观测岩石内部状态瞬时变化的可能性,但还未见用于观测岩体内部碎块抛掷过程的研究报道。利用砂浆水泥试件模型实验和X射线高速摄影研究含空孔直眼掏槽爆破机理,得到岩石碎块在槽腔内部的运动状态,为直眼掏槽爆破机理研究和参数设计奠定了基础,同时,也为岩石类非透明脆性介质内部碎块抛掷之瞬变过程观测开拓了新途径。

不同卸荷应力路径下岩体破坏特征试验研究

隧道施工引起围岩应力释放的问题值得关注,目前对不同开挖方式引起隧道围岩强度及破坏的研究较少.因此,通过采用岩石三轴试验机,模拟隧道的不同开挖工况,针对不同卸荷应力路径下的岩石强度及破坏特征进行了深入研究,提出了相应的结论,可为后续理论研究提供试验参考.

软弱破碎隧道围岩开挖面稳定性的拟三维模型试验研究

在软弱破碎围岩中进行隧道开挖,往往因岩体应力过大或围岩过分变形而导致开挖面失稳破坏,并引发隧道塌方事故。本文以Ⅳ类破碎围岩为参照对象,首先将其等效为单一均值地层,随后利用相似模型材料对隧道地层进行模拟,并在不同加载模式下再现隧道开挖,研究了开挖面的破坏模式及其渐进破坏特征。结果表明,在缓慢加载模式下,开挖面呈穹顶式塌方,而在快速加载模式下,开挖面呈通天型塌方;隧道开挖后的初期,开挖面上部范围岩体的侧向位移较大,而在后期底部岩体侧向位移迅速增大,并最终形成自下而上的破坏面;隧道开挖后,开挖面前方岩体水平向应力增量最大值位于开挖面上部但靠近隧道中线的位置,而竖向应力增量最大值则始终位于开挖面轮廓的顶部。

黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征研究

为了解黄土地区浅埋暗挖地铁隧道围岩压力特征,得出荷载在衬砌结构各部分中的分担比例,本文以西安地铁二号线为研究对象,选取2组不同围岩条件的测试断面,开展现场测试工作。对围岩与初期支护接触压力、初期支护与二次衬砌接触压力及二次衬砌结构应力进行研究。结果表明:隧道墙脚位置初期支护与围岩之间接触压力较大,表明这二者承受大部分垂直压力;初期支护所受围岩压力随着土体强度降低而增大,且分布形式更趋于静水压力作用特点;二次衬砌作为主要支护结构承担大部分荷载,初期支护与二次衬砌接触压力随围岩土体强度降低而显著增大,二次衬砌在支护体系中作用也随土体强度降低而凸显;二次衬砌混凝土基本受压,拱腰及以上位置应力较大,仰拱处应力较小。

循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化的模型实验

针对推进式循环爆破开挖下隧道围岩振动效应与损伤演化问题,按照相似比理论进行模型实验研究,实验模型采用1∶15比例浇筑制成。通过模拟隧道推进式循环爆破开挖方式,以同一测点处爆破前后岩体声速变化评价隧道围岩损伤程度,探寻爆破参量变化对振动效应的影响,探索围岩损伤演化与爆破次数之间的关系。研究结果表明:在最大段药量大致相同情况下,起爆段数对萨道夫斯基公式的介质系数K影响很小,而对萨道夫斯基公式的衰减系数α影响较大;隧道在推进式循环爆破开挖下,同一深度距离爆区相同的测点,其声速降低率存在较大差异,围岩的爆破损伤范围在深度和广度方面均具有典型的各向异性特征;当爆炸参量基本相同时,不同循环爆破开挖下测点的累积声速降低率呈非线性增长趋势;在推进式循环爆破加载下,围岩爆破累积损伤量D与爆破次数n之间存在非线性演化特性,不同的测点具有各自的爆破累积损伤扩展模型,距离爆源越近爆破损伤扩展越快,围岩爆破累积损伤效应具有典型的非线性演化特性和各向异性特征。

黄土十字交叉隧道开挖下支护结构变形特性研究

本文通过三轴试验分析了不同含水率下的重塑黄土的应力-应变特征,采用模型试验针对黄土交叉隧道研究了开挖过程中支护结构应变变化特征和开挖影响范围。研究得到,隧道的支护结构变形与掌子面位置有关,掌子面到达监测断面前1.5D(D为洞径)左右时,钢拱架发生变形,超过监测断面1.5D后变形基本稳定,说明黄土开挖的水平影响范围大致为掌子面前后共3D。支护结构在监测断面前后各0.5D范围内变形最为明显,约占总应变释放量的70%,说明支护结构能够很好地限制变形,同时也说明了掌子面开挖围岩立即产生大变形,因此开挖完后应及时支护以保证隧道稳定。由于拱顶受到竖向荷载作用,而拱腰、直墙受到的是侧向荷载作用,拱顶围岩受拉,因此隧道变形最大的部位为交叉段的拱顶。主洞开挖完毕支护结构变形稳定后,岔洞开挖引起交叉段支护结构的二次变形,其拱顶的变形量约占总变形量的2/5,而距交叉口最远的监测断面,其变形量已经很小,说明越靠近交叉段,变形越明显,因此保证交叉段的稳定是保证隧道稳定性的关键。

分部楔形掏槽在硬质岩石隧洞开挖中的应用

为了解决乌干达卡鲁玛尾水隧洞10#施工支洞钻孔利用率低、进度滞后、光爆效果差等问题,组织爆破工程技术人员深入施工现场,对现有爆破方案进行优化,提出了"分部楔形掏槽"的概念。并与水平V形掌子面相结合,成功的将硬岩开挖爆破钻孔利用率从79.4%提高到98.5%以上;将平均单循环进尺从2.62m提高到3.25m,有效加快了开挖进度、降低了炸药、雷管单耗;通过调整光爆参数、装药结构,将光面爆破半孔率提高到90%以上。

陕西何家梁隧道地应力测量及围岩稳定性评价

基于何家梁软岩隧道的工程地质条件与三维水压致裂地应力测试方法,测量并分析了工程区地应力分布规律,并采用FLAC3D数值分析软件对隧道开挖稳定性进行了评价。结果表明:自重应力是该地应力场中的主要影响因素,测区应力场为高应力水平,隧道开挖后,边墙中上部及拱顶有不同程度的下沉,周边位移相对值仍在规范允许范围之内。测试及数值分析结果可为工程区隧道开挖的稳定性分析及安全支护提供参考,可对类似软岩隧道的地应力测试及分析提供借鉴。

深埋硬岩隧道开挖破坏区数值模拟方法探讨

选择有效并实用的岩体本构模型是利用数值模拟方法准确获得开挖破坏区范围的关键。简要论述了常用的描述岩体脆性破坏的本构模型,然后借助有限元软件Phase2,分别采用弹-脆-塑性(EBP)模型、粘聚力-脆性-摩擦强度(CBF)模型和裂隙初始-劈裂界限(DISL)模型计算Mine-by试验隧道在开挖诱导下形成的破坏区深度和范围角。考虑到Mine-by隧道开挖面轮廓的几何非规则性,在进行上述计算时分别以光滑圆形和一系列连续的半圆形为开挖边界。将上述的6种计算结果与实测数据进行对比后发现,以隧道实际断面为开挖边界,选择DISL本构模型能够很好地反映开挖后围岩的力学响应,准确预测开挖破坏区深度。

隧道掘进爆破的损伤机理与振动危害

基于岩石在爆炸应力波和爆生气体作用下的损伤断裂机理,对隧道掘进爆破对围岩的损伤与危害作用、爆破地震效应和安全判据标准进行了理论和实验研究.通过对渝怀铁路圆梁山岩溶隧道、青藏铁路风火山高原冻土隧道等掘进爆破中的爆破地震波的监测和分析,确定了隧道掘进爆破的安全判据和技术标准.

开挖工法对高地应力场软岩隧道围岩稳定性影响的模型试验研究

不同开挖工法对隧道围岩稳定性通常会产生不同程度的影响。文章依托蓝家岩公路隧道工程开展三维地质力学模型试验,研究三台阶法、上下台阶法、上下台阶预留核心土法对高地应力场软岩隧道围岩稳定性的影响规律。结果表明:(1)三种开挖工法下隧道拱顶沉降及拱脚收敛随开挖步的变化规律均可以分为超前变形、开挖变形和变形收敛等三个阶段,但在量值上均表现为,三台阶法最小,上下台阶预留核心土法次之,上下台阶法最大;(2)各测点初期支护与围岩之间的径向力均为压力,且围岩压力的分布特征相似,围岩压力的最大、最小值分别出现在墙脚、仰拱处,在量值上同样表现为,三台阶法最小,上下台阶预留核心土法次之,上下台阶法最大;(3)三台阶法在高地应力场软岩隧道施工中最有利于围岩稳定,且在一定程度上能满足施工进度的要求。

硬岩地区浅埋暗挖隧道施工地表沉降特征模型试验研究

城市地铁隧道开挖会对围岩产生扰动并破坏其稳定性,严重时甚至引起地层失稳而造成路面塌陷事故。为研究城市地铁浅埋暗挖隧道施工所引起的地表沉降基本特征,以青岛硬岩(花岗岩)地层为例,通过室内三维模型试验对隧道开挖过程进行了动态模拟,总结出不同工况下开挖所引起的地表沉降规律,同时将数值模拟结果与室内试验结果作对比分析。研究结果表明:浅埋隧道的开挖会引起以地表沉降为主的地层变形,其横向沉降数值分布会呈现出“两侧小中间大”的沉降槽,这与数值模拟结果较为相符,即隧道正上方的沉降变形最大,越是偏离隧道中轴线则地表受开挖扰动越小;而纵向地表沉降则分为“缓慢变形”“剧烈变形”以及“变形稳定”三个阶段,上述阶段的影响范围基本维持在距掌子面-1.6D^1.6D(D为隧道洞径)。因此,试验所得结果可以应用在硬岩地区浅埋暗挖施工当中。

基于相似理论的隧道模型试验设计研究

隧道相似模型试验是研究隧道工程施工中岩体和支护力学特性的一个重要手段,通过相似模型试验能够快速且经济地反映出实际隧道工程施工的基本力学规律。以相似理论为研究依据,结合桐梓隧道施工过程,考虑了试验台架尺寸、岩体相似材料、支护系统以及量测系统这几个因素进行模型试验设计。采用模型试验装置成功地完成了三台阶法、CD法、双侧壁导坑法开挖隧道的模型试验,试验结果基本符合实际情况。试验结果可知,采用双侧壁导坑法开挖隧道,有利于围岩的稳定;采用三台阶法和CD法施工,可以提高施工效率。

隧道穿越地层接触带施工关键技术模型试验研究

以银川—西安高速铁路贾塬隧道穿越地层接触带为工程背景,采用模型试验的方法探究了不同开挖工法和支护参数下隧道围岩位移、初期支护与围岩间的接触压力、钢拱架应力的变化规律,并通过现场监控测量数据验证了模型试验的可靠性。研究结果表明:隧道穿越红黏土与砂岩夹泥岩接触带地层时,拱顶和拱肩处的围岩变形及支护受力较大;三种开挖工法中,三台阶预留核心土法对围岩位移限制效果最好,支护受力更加均匀;钢拱架间距相比初期支护厚度对围岩位移和结构受力的影响有限。

城市越岭长隧道爆破开挖振动影响研究

隧道钻孔爆破开挖技术在城市越岭长隧道中的应用能够有效地提高施工效率,节约建造成本。然而受周边环境的影响,爆破有害效应的影响日显突出,特别是爆破振动影响成为爆破开挖制约的主要因素。根据大盘山城市越岭长隧道进出口段爆破开挖过程中对周边建筑振动影响的实际监测,分析了不同围岩爆破地震波传播衰减规律。结果表明:相同围岩等级下,围岩完整性与萨道夫斯基公式中的关键参数K、α取值存在反相关性,即在相同围岩等级下,完整性越好,关键参数取值越低。建议进口段K、α值分别为350和1.9,出口段250和1.85,并绘制了三个代表性装药量下的爆破振动速度传播曲线。根据绘制的曲线以及现场建筑对振动速度的控制要求,确定了隧道爆破开挖距离洞口的起始位置。为进出口围岩等级和完整性较差、且周边拥有密集建筑群的实际隧道开挖工程提供参考。

矿用全断面巷道掘进机机型特点

全断面掘进设备已经广泛应用于各种隧洞挖掘工程中,煤矿掘进行业也逐步开始采用这种技术。介绍了其他非煤行业的主要全断面岩石掘进机的组成结构,同时分析了煤矿井下掘进地质环境的特点,论证了煤矿使用全断面掘进技术的可行性,并且结合煤矿安全生产要求,提出了煤矿用全断面巷道掘进机在设计生产过程中需要注意的一些关键点,为传统全断面掘进技术如何合理应用在煤矿生产中提供了一些参考建议,也为行业的各种相关标准、规程、认证准则的推陈出新提供了技术依据。

隧洞围岩在超载和卸载状态下的破坏模式

围岩破坏模式分析是地下工程围岩稳定性分析、控制和支护设计的基础。围岩开挖是一个径向应力减小、轴向应力增大的复杂加卸载过程,当前常采用超载试验研究隧洞围岩的破坏模式。围岩的应力路径是影响其破坏模式的重要因素,而超载试验的围岩应力路径不同于加轴压、卸围压路径。为对比隧洞围岩在不同应力状态下的破坏模式,利用WE–600B型液压式万能试验机和自主设计的隧洞模型试验仪,采用相似模型试验方法,研究隧洞围岩在超载和开挖卸载过程中的应变演化规律及破坏面发展过程。应变演化规律方面:两种工况下,拱底均产生一定的拉应变;开挖卸载模式下,侧墙和拱腰处的应变增速大于超载模式,围岩向临空面的变形速度更快,破坏发展更快。破坏面发展方面:超载时,直墙两侧围岩整体剥落,剥落体保持完整;开挖卸载模式下,直墙两侧围岩向临空面逐层挤压溃曲,剥落体的完整性差,即开挖卸载路径下的围岩破碎程度更大。超载工况下,破坏过程由低应力时的拱底拉裂转变为高应力时的侧墙拉剪耦合的“V”型片帮剥落破坏;两种卸载工况下,破坏过程均为侧壁楔体剪切破坏和竖向张拉破坏耦合的“V”型片帮劈裂破坏。

太洪长江大桥隧道式锚碇设计

太洪长江大桥主桥为跨径808 m单跨简支钢箱梁悬索桥,南川岸采用隧道式锚碇,锚碇位于极软岩中,岩石天然饱和抗压强度为4.49 MPa,围岩级别为Ⅴ级,地质条件差。针对锚碇工程地形、地质条件,通过在主索鞍处向外旋转边跨主缆及隧道式锚碇轴线角度2°,解决了隧道式锚碇浅埋以及2个锚塞体间距过小的问题;进行多参数比选,隧道式锚碇前、后锚面尺寸(宽×高)分别取13 m×13 m、18 m×19 m,顶部为圆弧形,锚塞体最终长度为58 m,前、后锚室长度分别为35 m、3.8 m。依据规范计算得到隧道式锚碇锚塞体抗拔安全系数为4.3,通过岩土专项试验和数值模拟计算得到围岩稳定安全系数约为6.0,分别满足规范不应小于2.0和4.0的要求。施工时,采用围岩损伤控制和光面爆破相结合的开挖技术,以减少隧洞围岩损伤,锚塞体采用强格栅钢架防护形式,以加强锚塞体和围岩整体受力。