Quantitative analysis of parameters’influence on the stability of coal roadway clamped by upper and lower soft rock with extra thickness

In this paper,a physical model of coal roadway which is clamped by upper and lower softrock with extra thickness was built according to the characteristics of soft rock strata in china's western mining area.Then,a series of orthogonal numerical experiments were carried out by selecting the strength and stiffness parameters of soft rock and coal seam as well as the in situ stress of soft rock strata as experimental factors and roadway displacements(convergence displacements of sides,displacement of roof to floor)as experimental indexes.By constructing the F statistics with different inspection levels,evaluation method for influence of the experimental factors on stability indexes were defined.Thus,influence degrees of specified parameters on the stability of roadway were divided into five classes as follows:highly significant influence,significant influence,relatively significant influence,little significant influence,and no influence respectively which realize the quantitative analysis of the influence degrees of experimental factors.The finite element calculation results showed that main failure mode of coal roadway that usually showed as tension failure of coal seam in roof and deformation factors of coal seam had the most remarkable effect on roadway displacements.The conclusions provide theoretical basis for further analysis of the mechanism of"roof burst"in roadway maintenance.

上软下硬复合地层盾构隧道开挖面稳定性分析

针对上软下硬复合地层条件下盾构隧道开挖面的稳定性问题,依托深惠城际2标实际工况,分析不同软硬比及土体参数对开挖面极限支护压力的影响。利用颗粒流数值模拟分析土体的失稳模式,借助极限分析法建立符合开挖面失稳轮廓的理论计算模型,将理论计算结果与既往文献及实际工程进行比较分析。结果表明:当隧道开挖面主动失稳时,变形主要集中在软土层,硬岩层的变形较少;随着开挖面软硬比的增大,隧道开挖面的极限支护压力也增大;开挖面的极限支护压力与隧道埋深比无关,与土体内摩擦角成反比。

青川刨地里地震滑坡发育特征及其成因机制探讨

以“5·12”汶川地震诱发的青川县刨地里滑坡为例,现场调查了滑坡的地质特征,并基于离散元软件(UDEC)分析了1号滑坡动力响应及变形破坏过程,探讨了滑坡的成因机制。现场调查表明,刨地里1号滑坡具有近水平“上硬下软”的地层结构,其中石坎断层穿过了滑坡后缘;滑坡堆积体的岩性分带特征表明,刨地里1号滑坡下部千枚岩先于上部硅质岩被破坏,且破坏时间早于2号和3号滑坡;数值模拟研究揭示,峰值加速度放大效应在断层带附近的千枚岩内最强,其放大系数达6.79,导致下层千枚岩首先沿陡倾面产生拉裂破坏,随后上层硅质岩体产生拉裂破坏,结果与现场调查堆积物特征较吻合;断层和上硬下软的地层结构对刨地里滑坡动力响应、变形及破坏起到了控制作用。该研究可为上硬下软且含断层的地震滑坡的评价提供参考。

上软下硬地层隧道盾构施工地表沉降影响因素及规律研究

为研究盾构隧道穿越上软下硬地层时,开挖面内不同土岩厚度比对地表沉降的影响,以贵阳轨道交通3号线某区间隧道为工程背景,保持隧道埋深和双线隧道间距不变,建立7种工况下的三维有限元模型,通过与实测数据对比分析得到沉降规律,并利用双线隧道的44组地表沉降数据,拟合出适用于当地复合地层的Peck分段公式。研究结果表明:从整体看,数值模拟的沉降曲线均为W形,地表最大沉降位于先行隧道上方;穿越红黏土层时地表更易受到扰动而产生不均匀沉降,随着土岩厚度比的减小,模拟曲线对称性增强,左右隧道的沉降差缩小,整体沉降值基本表现为减小趋势;总结土岩厚度比与修正系数的关系,图表显示Peck分段公式能较好地预测贵阳上软下硬地层的沉降规律。

上软下硬地层盾构开挖面稳定性计算模型

针对上软下硬地层失稳特点,在假定开挖面附近因土体失稳而由软硬地层分界线先向上诱发形成部分楔形体、再呈倒圆台状向地面发展的基础上,提出开挖面稳定性计算模型。先基于极限平衡法提出部分楔形体计算模型;再依据修正后的楔形体计算模型,分别计算上覆土压力和开挖面前方部分楔形体的受力;最后依托青岛地铁6号线某区间工程开展数值模拟,验证理论模型。结果表明:不同支护应力比条件下的土体变形范围有所差异,土体变形主要发生在开挖面前方和上方并呈泡状延伸;数值模拟得到的开挖面失稳形态基本符合理论计算模型的假定形状;理论计算得到该例盾构开挖面极限支护应力比为0.21,与数值模拟的误差率为5%;当开挖面支护力小于极限支护力时,上软下硬地层开挖面水平变形会突然迅速增大;开挖面附近的岩土体变形主要发生在上部软弱部分,最大水平位移出现在上部软土中心附近,开挖面上土体最大水平位移与开挖面上方地表最大竖向位移间的相关性较高,两者变形规律类似。

上软下硬复合地层盾构渣土改良试验研究

土压平衡盾构穿越上软下硬复合地层时存在刀盘“结泥饼”、排渣不畅和刀具磨损等难题。针对以上问题,以粉质黏土-全风化花岗岩复合地层为研究对象,基于渣土改良剂的地层适应性和性能测试开展不同地层渣土改良室内试验。研究泡沫剂和膨润土泥浆等渣土改良剂及其改良方法对上软下硬地层的改良效果,以获得土压平衡盾构在复合地层中的渣土改良方案及改良剂合理添加比。结果表明:(1)采用浓度为3%的泡沫剂溶液和配合比1∶8的膨润土泥浆进行联合改良可获得良好效果;(2)粉质黏土地层采用泡沫剂进行改良,渣土坍落度随泡沫添加比增加而增大,抗剪强度、黏聚力、内摩擦角和渗透系数随之减小,改良剂合理添加比为19.7%~22.8%;(3)全风化花岗岩地层采用泡沫剂和膨润土泥浆进行联合改良,可有效改善渣土流塑性和抗渗性,当采用全泡沫改良时,合理添加比为22.2%~28.7%,当采用泡沫与膨润土泥浆联合改良时,合理添加比为24.3%~31.5%。现场应用及施工效果反馈表明,采用以上改良方案可有效改善渣土流塑性,盾构推力、刀盘扭矩以及刀具磨损均有显著改善。

上软下硬复合地层基于衬砌结构弯矩最小化的隧道横断面优化设计

[目的]为有效防止隧道衬砌破损及渗漏水,对上软下硬复合地层隧道横断面进行衬砌结构弯矩最小化设计研究。[方法]根据复合地层隧道围岩压力特点及合理假设,提出软土-硬土及土-岩两类复合地层隧道衬砌结构荷载作用模式。基于最理想的零弯矩复合地层隧道优化思路,建立隧道横断面半结构力学模型,计算得出零弯矩隧道横断面合理轴线方程,以及复合地层分界线处及隧道横断面水平中线处直径解析表达式。简述了复合地层隧道横断面弯矩最小化设计流程。[结果及结论]软土-硬土隧道零弯矩横断面合理轴线呈梨形,土-岩隧道零弯矩横断面合理轴线呈类马蹄形;实际工程可基于隧道横断面合理轴线方程,通过综合评估和加权平均法来确定隧道横断面设计所需关键参数,从而设计出新型上软下硬地层隧道横断面,以期最大限度减少复合地层隧道横向变形。

地面爆炸下软硬不均地层超大直径盾构隧道动力响应分析

近年来港口危化品堆场爆炸灾害频出,盾构隧道面临着潜在的地面爆炸荷载威胁。采用多物质任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)流固耦合建模方法,考虑到螺栓、钢筋、混凝土管片等多种结构复杂的非线性行为,建立了地面爆炸荷载下超大直径盾构隧道精细化模型,通过对炸药当量、埋深、爆源偏心距进行参数分析,研究了地面爆炸荷载对所处上软下硬地层隧道结构的动力响应和损伤过程,并对管片接缝处的变形模式及螺栓的塑性发展进行了分析。结果表明:在地面爆炸荷载下盾构隧道损伤由顶部向两肩发展,纵向接缝形成错动,环向接缝开合交替;区别于整体结构,超大直径盾构隧道在地面爆炸荷载冲击下应着重加强隧道两肩和接缝处的防护。

上软下硬地层地铁盾构施工地表沉降模拟分析

为了研究上软下硬地层地铁盾构掘进引起的地表沉降规律,以某地铁工程大岭山东站—松山湖站区间盾构掘进项目为依托,通过实测和数值模拟,对比分析上软下硬地层盾构掘进及硬层比对地表沉降规律的影响。结果表明:单双线盾构掘进地表横向沉降规律分别呈V形和W形变化;盾构掘进时对前后地表变形影响的范围约为40 m,其中前方5 m至后方15 m范围内的地表沉降变化率最大;地表沉降随地质硬层比的增加逐渐减小,硬层比为16.7%~83.3%时,地表沉降变化较大,可将硬层比83.3%、16.7%作为上软下硬复合地层研究的上下限。

基于精细化数值模拟的地铁盾构隧道椭圆度安全研究

随着城市地铁运营里程不断增长,盾构隧道过量变形导致的结构安全问题持续出现。对出现过大变形的盾构隧道进行结构分析时,准确的岩土参数难以获取且外部因素十分复杂,在数值模拟中难以全面考虑。以可靠的实测数据作为精细化数值模拟分析的基础,更有利于还原当前的结构状态。因此,为更真实地通过数值模拟方法分析盾构隧道的结构安全状况,继而得出基于椭圆度的结构安全控制标准,提出以隧道椭圆度为基准,在保证隧道结构合理的受荷条件下使隧道变形结果与实际相近,结合某上软下硬地层中隧道变形过大的典型案例相互论证,从而进行盾构隧道的结构力学响应分析。研究结果表明:当隧道结构主要承受竖向对称荷载时,拱顶接头位置变形与螺栓应力最大;拱顶内侧易出现裂缝,拱腰接缝区域容易出现渗漏;管片椭圆度为0~10‰时,结构较安全;椭圆度在10%~20‰时,结构拱顶内侧开始出现塑性区;椭圆度在20%~30‰时,塑性区不断发展,拱顶螺栓接近进入屈服阶段;通过对比管片损伤、螺栓应力、接缝张开量等随椭圆度增加的变化,结合工程案例中的实际状况,并考虑为隧道结构变形保留适当冗余,可将该区间隧道基于椭圆度判断的变形标准的控制值设为25‰,预警值设为20‰。

上软下硬地层CSM整体式止水帷幕施工关键技术

上软下硬地层且富水环境中,基坑止水帷幕的施工质量直接影响基坑开挖安全和变形控制。依托青岛市地铁7号线周村站深大基坑工程,从施工机械、施工方法和信息化角度探讨CSM工法,形成整体式止水帷幕施工关键技术。系统研究了CSM刀盘选型与配置,浆液材料配合比,双轮铣头多点喷浆技术及注浆参数,浆液制备、存储方法,跳打搭接循环施工方法,以及CSM钻进全过程数据信息化监测方法。基于现场监测结果,CSM工法水泥土墙深基本超出设计墙深0.5%,基坑开挖过程外围水位最大降深为1.5m,右邻省道最大沉降值为13.1mm,基坑开挖安全,表明CSM整体式止水帷幕适应性强、成墙质量好。

上软下硬地层盾构隧道施工控制技术

为解决上软下硬地层中盾构施工遇到的问题,采用理论分析的方法,并结合具体工程实例,通过分析土仓压力、推力、刀盘转速和掘进速度等掘进参数,验证施工措施的合理性。结果表明在上软下硬地层中,盾构施工采取“满土仓、小推力、低转速和慢掘进”的施工控制方法,能够满足地表沉降规范要求。文中研究结果可为相似地层中盾构隧道施工提供借鉴和参考。

上软下硬地层双轮铣+液压抓斗组合快速成槽施工技术研究

文章以武汉轨道交通5号线复兴路站为依托,针对上部为黏土、粉土等软土,下部为中风化石英砂岩等硬岩的地质状况,综合多种必选成槽施工工艺及其组合工艺,最终选择液压抓斗+双轮铣组合施工地下连续墙槽段,探寻液压抓斗与双轮铣如何配合衔接,能够快速成槽。通过实践,最终达到在上软下硬地层中快速成槽的效果,形成一套成熟的快速成槽施工工艺,为今后类似施工工况提供借鉴。

上软下硬地层中大直径竖井机械化施工方法

针对上软下硬地层中大直径竖井机械化建造困难的问题,以深圳大坪区间2标段2#工作井为背景,提出一种适用于上软下硬地层的大直径竖井机械化施工方法。该方法在软岩段采用CJM沉井掘进机进行施工,在软硬交界段进行工法转换,在硬岩段采用机械破岩方式施工。本文对前述大直径竖井机械化施工方法的施工流程、关键施工技术进行详细研究,并对其预制拼装竖井结构设计理论进行研究,提出一种大直径竖井装配式井筒结构设计方案,最后对大直径竖井机械化施工过程中井筒结构内力和周围地层影响进行研究,结果表明该方法对竖井周围地层影响较小,井筒结构受力最不利位置位于土岩交界面以上附近位置。

上软下硬地层浅埋大跨地铁车站施工技术

针对上软下硬地层浅埋大跨地铁车站施工技术需求,融合双侧壁导坑法和拱盖法,提出一种适用于上软下硬地层的浅埋大跨地铁车站施工方法。在提炼出一些创新技术内容的基础上,开发出一套上软下硬地层浅埋大跨地铁车站施工技术。通过工程应用案例示范,给出了具体施工工序和施工参数。

快凝低强度浆液填仓法盾构带压开仓换刀施工技术研究

在软硬不均和溶洞区地层中,土压平衡盾构机掘进极易造成刀盘磨损严重和地表沉陷等不良后果。针对衡盾泥开仓法工期长、费用高的缺点,研发一种适合上软下硬及岩溶地层的快凝低强度浆液填仓开仓换刀技术。该技术从优化惰性浆液填仓提升气密性、改进浆液拌制工艺、实施土仓内渣气置换及加强土仓气密性检测4个技术方面,明确惰性浆液填仓法的施工原理,总结在高岩溶发育区采用惰性浆液填仓法进行盾构带压开仓换刀的施工流程,并对关键技术开展研究。现场实践表明,惰性浆液填仓法高质高效实现土仓保压,降低施工安全风险,经济和社会效益显著,成功助力盾构机穿越高岩溶发育区。

上软下硬复合地层隧道开挖围岩变形及应力特征研究

软岩隧道开挖时围岩变形较大,且容易发生失稳破坏。以桂林市某引水隧洞工程为例,基于现场监测及数值模拟的方法分析隧洞开挖后围岩的稳定状态。为进一步探究开挖断面区域上软下硬地层不同占比条件下,隧道开挖围岩稳定状态的变化机制,通过有限元分析软件ABAQUS对开挖断面区域软岩地层占比分别为0%、25%、50%、75%、100%五种工况条件下隧道开挖围岩的稳定状态进行研究。研究结果表明:数值模拟和现场监测数据吻合性较好;隧道开挖后最大主应力在地层分界处有明显分界现象;随着上部软岩占比的增大,监测断面处水平位移由向外扩张变形转为向内侧的收敛变形,拱顶沉降逐渐增大,底板隆起在占比为75%之前变化不大,在全软岩断面时变形量会远大于其他模型。

复合地层中双线隧道引起的土体位移预测

为研究双线平行隧道穿越上软下硬地层引起的地表及深层土体位移规律,根据复合地层开挖特点,基于Mindlin解和随机介质理论推导了双线隧道施工引起的土体竖向位移计算公式,结合工程实测数据进行了可靠性验证。结果表明计算结果与实测数据变化规律相类似,土体损失是引发地层沉降的主要因素,且随着土体深度的增加,沉降槽宽度减小,中心沉降值增大,单双线工况下沉降曲线分别为V形和W形;随着开挖间距减小,土体总体沉降量将会增大。研究可为复合地层中双线隧道掘进引起的土体竖向位移预测提供参考。

滨海土岩地层浅埋暗挖车站临时支撑拆除优化分析

以滨海地区某地铁暗挖车站初支拱盖法开挖为例,采用有限元数值模拟方法对临时支撑拆除方案进行分析,并结合实测数据进行验证。结果表明:围岩沉降最大值位于拱顶部位,两侧拱腰附近的位移量小于拱顶,围岩表现出明显的收敛性;最后拆除与拱顶连接的竖撑对控制拱顶初支沉降效果较好,且在拆除过程中可保证横撑与竖撑有连接部分;优化后的拆除方案考虑二衬施作,下部竖撑采用间隔拆除的方法,拱脚二衬对拱盖上部围岩提供支撑保护作用,可控制拱顶附近发生过大沉降;拆撑时应加强监测,现场实测数据可见采用优化后的拆除方案,地表沉降、拱顶沉降与净空收敛变化趋势较为稳定。

“上硬下软”土层既有建筑基础加固方法

广西某工程项目地质条件复杂,土层力学特性变化明显,土层刚度呈现“上硬下软”状态,且分布厚度不一,多栋建筑封顶后出现不均匀沉降,本文旨在确定一种基础加固方案能够较好地解决以上问题。针对土层“上硬下软”的特点,对于沉降较大的区域创新采用“Φ377+Φ127组合钢管桩”进行基础加固,防止沉降继续发展。浅层硬壳层采用Φ377钢管桩提供承载力,深部软土层采用Φ127钢管桩深入原CFG桩下1~2 m,结合注浆工艺,加固松软土体,对原CFG桩桩底进行加固。对于沉降较小的区域创新采用高压注浆深层扰动技术,增加局部沉降。采用动阻力控制作为终桩条件,解决土层起伏剧烈地区桩端持力层无法判断的工程难题。“Φ377+Φ127组合钢管桩”极大地提高了原工程桩承载力,从而解决了坚硬土层难以沉桩、软弱土层承载力不足的工程难题。该基础加固方案成功解决了既有建筑的不均匀沉降工程难题,积累了宝贵的工程经验,为“上硬下软”复杂土层既有建筑基础加固提供了新思路,具有显著的经济效益和社会效益。