超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏过程三维地质力学模型试验研究

为研究超大断面隧道围岩随埋深逐渐增加的渐进性破坏过程,通过大型三维均匀梯度加载地质力学模型试验系统和软弱破碎围岩及其支护系统相似材料的研制,开展大跨度隧道围岩随埋深逐渐增加渐进破坏过程的大比尺模型试验,真实再现全断面和台阶法开挖段周边围岩及掌子面保留段软弱破碎围岩渐进破坏的全过程。首先,以一定范围内埋深(200～1 020 m)的双线大跨度隧道软弱破碎围岩(铁路隧道V级)为研究对象,采用铁晶粉、松香、石英砂、重晶石粉以及聚四氟乙烯棒等原料研制出具有应变软化特性的软弱破碎围岩、初喷混凝土以及锚杆等相似材料,并配以能实现精细开挖和支护施作的微型设备及其配套工艺,通过可实现三面均匀同步加载的大型三维地质力学模型试验台架模拟隧道全断面和台阶法施工的全过程,并采用光纤光栅传感器、电阻式应变计、多点位移计以及微型压力盒全程监测隧道洞壁及其整数倍洞径(0～3倍)范围内围岩的应力、位移以及近区荷载的变化信息;然后,对隧道全断面和台阶法开挖段以及掌子面保留段围岩进行超载试验,按50 m埋深等荷加载改变隧道埋深,直至隧道全断面无支护段围岩开始出现明显破裂特征,然后再按20 m埋深等荷加载缓慢增加隧道埋深,直至隧道全断面和台阶法支护段初喷混凝土大面积破坏脱落。试验结果表明:(1)在埋深不断增加过程中,隧道围岩破坏区域呈渐进扩大趋势,全断面无支护段周边围岩最早发生破坏,然后依次扩展至全断面支护段初喷混凝土和台阶法支护段初喷混凝土,最终破坏区面积顺次由大到小;(2)无支护段围岩破坏区和支护段衬砌结构破坏区均主要集中在拱顶上方区域,是衬砌结构破坏和围岩塌落荷载的主要来源,两侧边墙也存在局部破坏区,自边墙上部至拱角部位破坏程度逐渐加剧;(3)在埋深增加过程中,支护段围岩位移增长率小于无支护段,应力和荷载增长率恰相反,支护结构承载效应明显;(4)超载过程中,围岩的破坏深度不断增加,尤其是拱部呈现动态压力拱现象,据此确定顶部加固范围在理论上具有可行性。研究的方法技术及结果将对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。

软弱破碎围岩隧道炭质页岩蠕变特性试验研究

采集贵广铁路天平山隧道典型软弱破碎围岩岩样,在室内开展三轴常规压缩和三轴压缩蠕变试验。基于岩石试验成果,分析炭质页岩的蠕变力学特性,低应力水平条件下岩石仅出现减速蠕变和等速蠕变阶段,在更高的应力水平条件下,岩石并未出现加速蠕变的现象,但围压在一定程度上提高岩石的屈服强度,弹性模量亦有随着围压增加而增大的趋势。据此,建立依托工程炭质页岩蠕变全过程的黏弹塑性应变软化蠕变力学模型,推导该蠕变力学模型在三维应力状态下的本构方程,并确定模型的参数,运用最小二乘法对模型的参数进行辨识。通过与试验曲线对比显示,所建蠕变模型能够描述依托工程炭质页岩的蠕变力学特征,可以用来研究该隧道软弱破碎围岩的蠕变性质和稳定性。

钢拱架应力反分析隧道初期支护力学性能的研究

适时分析软弱破碎围岩段衬砌结构的内力状态是隧道动态施工中的关键性问题之一,对判断隧道施工安全状态和评价支护结构稳定性具有重要意义。考虑钢拱架已作为软弱围岩段公路隧道初期支护的重要形式,现通过分析隧道施工现场钢拱架支护的自身特点和受力特性,建立含有钢拱架和喷射混凝土的隧道复合初期支护的地基曲梁力学模型。然后运用地基曲梁相关理论,通过现场监测的钢拱架应力推求出隧道复合初期支护内力解析式,从而迅速得到隧道支护结构的应力集中部位。最后,经由台阶法施工的隧道工程实例运用表明,基于实测钢拱架应力求解隧道初期支护内力的解析研究是分析软弱破碎围岩段隧道支护力学性能的一种新方式,并能及时有效地为隧道现场施工安全提供直观、可靠的力学依据和技术支持。

超大断面隧道软弱破碎围岩台阶法施工过程力学效应规律研究

超大断面软弱围岩隧道施工过程中,采用台阶法施工方案容易引起大面积塌方,但是可以有效缩短施工工期,从安全性的角度出发,台阶法施工特别是作为台阶法核心问题的台阶高度选择值得进一步分析。依托兰渝铁路两水隧道,采用三维数值仿真手段,分别建立台阶高度取H/3,H/2,2H/3和最大宽度处模型,模拟了铁路隧道在极软弱围岩中采用台阶法施工选择不同台阶高度的施工过程,对比不同台阶高度下隧道的拱顶沉降、水平收敛和掌子面挤出变形,揭示了台阶法施工过程中围岩力学效应的演化规律,并最终得出最优台阶高度,为工程施工提供参考。

强震区软弱破碎千枚岩隧道系统锚杆支护作用效果分析

以在建的穿越5.12强震区发震断裂带的广甘高速公路杜家山隧道为工程依托,选取20 m典型围岩区段为试验段,对有、无系统锚杆时的洞周位移、锚杆轴力、钢拱架内力、围岩与初支接触压力、及其二衬内力进行实测对比分析,探讨锚杆支护作用效果不明显的成因,提出了在强震区软弱破碎千枚岩隧道围岩中采用"钢喷"初期支护的支护方案。研究结果表明:设置锚杆的断面,其锚杆轴力值较小,最终洞周变形值及围岩与初支的接触压力值相对偏大,钢拱架和二衬的安全储备相对不足;锚杆的施工不仅在某种程度上加剧了对深部围岩的扰动,而且还延误了喷射混凝土和钢支撑支护对暴露围岩及时封闭的最佳时机;震后深部围岩的震裂损伤和震裂岩体地下水的渗透性增强,致使围岩松弛区域超过了锚杆设置范围,且锚杆与围岩间的黏结力被削弱。

敞开式全断面隧道掘进机开挖软弱破碎围岩隧道的施工方法

西安-南京铁路桃花铺1号隧道是继西康铁路秦岭特长隧道之后采用敞开式掘进机施工的又一座长大铁路隧道。结合工程实践,总结了TBM进入软弱破碎围岩的判别方法、遇到的主要问题,提出了"超前探测,管棚注浆,调整参数,适速推进,减少扰动,防止坍塌"的施工原则,和"密排拱架,搭焊钢管,网板结合,及时喷锚,封闭塌腔,回填密实"的处理措施。

软弱破碎围岩隧道施工数值模拟研究

为研究软弱破碎围岩条件下隧道施工过程中围岩与支护受力变形特征,以某隧道工程为背景,利用ABAQUS分别建立隧道施工二维和三维有限元模型。模型力求与工程实际相符合,同时考虑了隧道实际的支护体系和地质条件,并模拟不同的施工工况,其中二维模型模拟隧道全断面开挖、初期支护完成和二次衬砌完成等工况;三维模型模拟隧道上、下台阶开挖、初期支护完成和二次衬砌完成等工况。通过模型计算,并与监控量测结果进行对比分析,揭示了该隧道支护和开挖过程中支护与围岩受力与变形特征。研究结果表明,有限元方法能够较好地预测隧道拱顶沉降;及时封闭初期支护能够有效地控制隧道围岩支护体变形,提高隧道稳定性;二次衬砌施做能够显著改善初期支护受力状态,使之应力分布较为均匀。

软弱破碎围岩隧道初期支护受力特征测试分析

以某长大公路隧道为工程背景,采用现场测试方法,对软弱破碎围岩条件下,隧道初期支护的受力特征进行了具体分析。重点探讨了工字钢支撑、喷射混凝土的受力及围岩压力的变化规律和分布大小,为类似条件下隧道支护设计和安全施工提供科学依据和技术指导。

隧道软弱破碎带围岩的施工技术

介绍隧道软弱破碎带围岩CRD施工法。详细叙述了隧道软弱破碎围岩的开挖过程、实时监测,并通过工程实例对比施工技术进行了分析。

软弱破碎围岩隧洞初期支护侵限处理措施

大伙房输水一期D&B4标段9号洞在初期支护施做完毕2月以后,发现局部洞段有大范围的侵限现象。文章针对具体情况,提出采用径向注浆加固、逐榀拆除钢架、钢架增加支撑、锚喷支护、监控量测等一系列措施,成功地完成了侵限处理工作,对类似工程具有借鉴意义。

极端复杂地质TBM研制及高效施工关键技术

为解决全断面硬岩掘进机在极端复杂地质掘进效率低下的难题,考虑极端复杂地质环境条件和全断面硬岩掘进机技术特点,首先,制定极端复杂地质全断面硬岩掘进机技术指标,研制极端复杂地质全断面硬岩掘进机,提出变截面收敛地层扩挖技术;然后,基于破碎围岩地质特征,建立关键参数控制、小导管化学灌浆、管棚注浆、小导洞开挖技术协同作业方法,并应用于解决破碎围岩地层;针对岩渣堆积掘进效率低下的问题,建立机械除渣和皮带机出渣联合清渣模式;最后,通过高黎贡山极端复杂地质掘进验证了本文研究成果。结果表明:1)全断面硬岩掘进机在Ⅱ、Ⅲ级围岩条件具有较高的进尺速度,设备完好率较高;2)Ⅳ、Ⅴ级围岩为主的破碎地层具有较好的适应性,实现刀具磨损一般的情况下最高月进尺达到了438 m,平均月进尺为412 m,表明具有良好的地质适应性。

浅埋隧道穿越软弱破碎围岩变形控制研究

浅埋隧道穿越软弱破碎围岩时,施工风险极高。软弱破碎岩体物理力学指标降低,自稳能力差,隧道可能会产生较大的变形,甚至塌方。如果不能采取有效的处理措施,将会延长施工工期,甚至会造成安全事故,大大的增加施工成本。文章结合实际浅埋隧道工程,在隧道穿越软弱破碎,采取了有效的控制措施,并结合数值分析模拟计算了围岩的变形量,保证了隧道施工的安全,为类似工程提供指导和借鉴。

TBM法在隧洞工程中不良地段施工要点分析

隧洞工程在交通、水利项目建设中极为常见,而TBM是最先进的隧洞掘进技术。本文以新疆SS隧洞Ⅱ标段工程为例,根据工程实际设计了施工方案和TBM机类型,并分析了工程所应用的超前地质预报技术,包括TSP法和超前钻法,阐述了在软弱破碎带和地下水含量较高地段的具体处理措施,可为类似工程提供必要的技术参考。

雪山1号隧道洞口多年冻土冰积层施工技术

一般隧道洞口段覆盖较薄,且常年受到日晒雨淋等风化侵蚀作用,地质较为软弱,而雪山1号隧道更是位于青藏高原腹地,受高海拔、高寒、昼夜温差大、强风等影响,洞口段围岩为多年冻土冰雪堆积层,大小混杂,空隙填充角砾、砂及粉土,无粘结力,不易形成压力拱抵抗围岩压力,给隧道的进洞施工、洞身开挖带来很大难度,并且软弱破碎围岩隧道往往伴随较大应力或偏压力,致使隧道初期支护变形、侵限。因此,怎样利用合适的超前支护方式确保隧道安全进洞,如何选择隧道洞身开挖及初期支护方法,即能保障隧道施工安全质量,又能降低工程投入、提高工作效率,是当前浅埋软弱破碎围岩隧道施工经常面临的问题,雪山1号隧道洞口段多年冻土冰雪堆积层的施工方法,可为同类地区隧道工程施工提供参考。

富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术

文中结合包茂高速中广西段岑水高速公路均昌隧道的实例,对发生的四次重大突泥涌水灾害做了简单介绍,并对灾害发生成因做了阐述,对富水软弱破碎岩层隧道的固结开挖做了施工技术总结。

软弱破碎围岩地层预应力管-索结构的提出及应用

针对高地应力软弱破碎围岩隧道变形控制难题,分析不同类型锚杆优点和不足并结合模型试验,研发一种隧道新型预应力管-索结构,详细阐述其结构形式及受力机制,通过理论分析,建立深-浅预应力体耦合力学承载模型,并对其承载效应进行系统分析,最终,通过现场试验验证新型结构的可靠性。研究结果表明:预应力管-索支护结构能够实现“注浆加固、承载结构形成及应力扩散”的协同作用,进而实现对支护强度的2次放大。对管-锚支护而言,注浆提高预应力体力学参数是围岩控制的关键手段,但调整管-索间排距提升围岩承载能力的方式在施工中更为直接高效;进一步分析表明,浅层预应力体合理厚度b1为隧道半径r0的0.8倍,深层预应力体合理厚度b2为隧道半径的1.44倍,可为管-索的参数设计提供一定依据。工程实践表明预应力管-索支护能够有效提高软弱破碎围岩的稳定性,为类似工程提供参考。

极端复杂地质条件下TBM隧道施工关键技术研究及应用

大瑞铁路高黎贡山隧道、引汉济渭秦岭隧洞、滇中引水香炉山隧洞等工程的相继开工建设,使富水破碎极软地层带来的TBM卡机、高地应力极硬岩地层带来的岩爆等TBM施工问题日益凸显。文章首先对比阐述了国内TBM隧道工程建设过程中常遇到的软弱破碎、极硬花岗岩等典型不良地质及其对TBM掘进所带来的影响,在总结分析辽西北供水、引松供水、引洮供水等工程建设过程中出现的隧道局部塌方、TBM卡机等案例及其影响因素的基础上,以极端复杂地质条件TBM掘进关键技术为对象进行了系统研究论述,结果表明:(1)超前地质预报技术是TBM施工应对极端复杂地质的重要手段,但目前尚无法对前方中远距离地质状况进行准确量化预测;基于微震监测分析结果,根据可能发生的轻微、中等、强烈等不同等级的岩爆,制定对应处置措施;节理发育、炭质板岩、断层破碎带等不同软弱破碎地层,应采取针对性的防卡机措施,同时可根据不良地质段的长度来选择合适的脱困方案;(2)TBM推力、推进速度、刀盘转速及扭矩等掘进参数的异常波动,是表征掌子面前方地质条件状态的重要指标,TBM掘进前,根据前期预判的全断面硬岩、软弱破碎等围岩条件,分别选择合适的掘进参数;TBM掘进过程中,应基于掘进参数异常变化,纠正地质条件预判并采取对应的调控措施,进而确保TBM处于最佳掘进状态;(3)针对既有TBM难以适应现有地质条件的情况,以引洮供水隧洞、引红济石隧洞、引汉济渭隧洞等工程为例,对TBM改造技术进行了分析论述。最后,针对极端复杂地质条件下的TBM隧道工程建设新问题及其应对措施进行了展望与探讨。

滇西红层软岩大变形隧道施工技术研究

红层软弱破碎围岩强度低、胶结性差,隧道开挖引起结构失稳和破坏问题突出,施工风险高、难度大。本文以大瑞铁路杉阳隧道为工程依托,介绍滇西红层软弱破碎围岩地质隧道典型工程地质特点,研究分析其对施工造成的多种不利影响;通过优化隧道断面、调整平导台阶参数、优化工装设备和调整支护参数等一系列技术措施的研究应用,探索出一套适用于软弱破碎地质围岩隧道安全可靠的施工开挖技术,对提高此类不良地质隧道施工安全质量、加快施工进度提供了较好案例。