石膏质岩特殊性质对隧道结构稳定性影响及处治技术

石膏质岩在水环境中具有复杂的特殊力学性质。为研究石膏质岩特殊性质对隧道结构稳定性影响,依托山西南吕梁山隧道工程,对现场采集的石膏质岩样进行膨胀力测试。通过对隧址区内地下水的调查,进一步剖析石膏质岩对衬砌混凝土的腐蚀作用形成机理。在此基础上,采用数值模拟进一步探讨石膏质岩的膨胀及腐蚀特性对隧道结构稳定性影响。针对石膏质岩隧道病害的产生特点,提出相应的处治思路及处治技术。结果表明:石膏质岩遇水会产生一定的膨胀特性及腐蚀特性,对隧道结构稳定性具有较大的不利影响。提出的处治技术可为类似工程提供借鉴。     

隧道石膏质岩危害及对策研究

以宜巴高速路凉水井隧道出露的石膏质围岩为研究对象,在开展的研究石膏质岩膨胀特性、溶蚀及溶出特性、强度特性、对混凝土劣化特性的试验基础上,结合工程实际总结石膏质岩对隧道建设可能产生的危害,并提出了相应对策。研究结果表明:石膏质岩强度较低,属软岩。遇水水化膨胀,挤压衬砌结构,影响混凝土结构的耐久性。遇水易软化,软化后强度降低,变形增大,使隧道围岩稳定性降低。易溶蚀,溶蚀后结构遭到破坏,围岩稳定性降低,溶蚀后溶出大量硫酸根离子于环境水中,长期从外部侵蚀混凝土支护结构,使之产生破坏。石膏质岩误作为混凝土骨料,从内部侵蚀混凝土支护结构,使之产生破坏。石膏质岩的不良工程特性将对隧道建设产生诸多不利影响,隧道建设中应采取相应的防治措施。     

多因素综合作用下含膏隧道病害特征及诱发机理研究

石膏质岩遇水会出现复杂的力学性质变化,改变了隧道结构原有的受力模式,从而诱发隧道病害的产生。为探究石膏质岩特殊性质与隧道病害的内在联系,依托山西某隧道工程,首先对隧道中产生的病害进行调查与归纳。而后,通过数值模拟进一步探讨石膏质岩的膨胀、溶蚀以及腐蚀特性对隧道结构稳定性影响,并由此揭示各类病害的破坏机理。结果表明:石膏质岩隧道病害可分为膨胀破坏类、溶蚀空洞类、腐蚀-侵蚀类3种类型,实际典型病害特征常为该3种类型的综合体现。     

含石膏质岩集料的混凝土内部硫酸盐侵蚀及抑制措施

集料中掺杂过量的硫酸盐尤其是石膏会引起混凝土内部硫酸盐侵蚀膨胀,破坏混凝土结构。研究了集料中掺杂石膏的含量、粒径对砂浆试件强度和膨胀率的影响,探讨了水泥C3A含量、矿物掺合料品种对含石膏质岩集料混凝土内部硫酸盐侵蚀的抑制效果。结果表明:随着集料中掺杂石膏质岩细粉含量的增大,内部硫酸盐侵蚀反应的速率和程度增大,当掺杂SO3含量超过1.25%时,12个月龄期的砂浆膨胀率超过0.1%并出现较大的强度损失;掺杂石膏质岩粒径越小,砂浆的膨胀率和强度损失一般越大,特别是当掺杂石膏质岩粒度小于1.18mm后将引起显著的膨胀,而当粒径大于4.75mm后,由于石膏质岩集料在混凝土中分散的不均性而产生不均匀体积膨胀,从而导致侵蚀应力集中,即使较低的SO3含量掺杂石膏质岩也有可能产生较大的强度损失。采用抗硫酸盐硅酸盐水泥及掺加适量的粉煤灰、硅灰或偏高岭土等矿物掺合料,可以有效抑制含石膏质岩集料混凝土的内部硫酸盐侵蚀膨胀。     

三向应力下水对石膏质岩强度性质影响的试验研究

以宜昌—巴东高速公路凉水井隧道区出露的石膏质岩为研究对象，采用三轴伺服机开展了不同含水状态下的三轴压缩试验，研究围压及含水状态对石膏质岩强度的影响。     

石膏质岩区隧道混凝土侵蚀机理分析及配合比设计

为研究石膏质岩区隧道混凝土的侵蚀机理,首先分析了凉水井隧道石膏质围岩的成分,在扫描电子显微镜下对混凝土进行微观侵蚀机理研究,并提出了隧道二次衬砌高性能防腐混凝土的配合比,通过研究发现,掺料及纤维能够提高混凝土的强度,并降低氯离子扩散系数,同时改善了其抗裂性能,该成果对石膏质岩地区隧道的安全运营具有重要的现实意义。     

石膏质岩对隧道混凝土劣化的试验研究

为得到石膏质岩地区隧道混凝土遭受硫酸盐侵蚀的规律,针对硫酸盐内部侵蚀及外部侵蚀分别设计了加速试验方案,通过强度和膨胀率这两个评价指标,对内、外部侵蚀试验结果进行了分析总结,得到了混凝土遭受硫酸盐侵蚀的规律,并初步获得掺入不同种类、不同分量的掺合料对混凝土抗侵蚀能力的影响,论文成果可为硫酸盐对混凝土劣化作用的理论研究提供基础,并对实际隧道工程施工有一定的指导意义。     

干湿循环作用下石膏质岩宏细观劣化特性研究

针对石膏质岩在干湿循环作用下的劣化问题,以湖北巴东十字垭隧道附近嘉陵江组地层的石膏质岩作为研究对象,结合室内试验和二维颗粒流数值模拟(PFC~(2D)),研究了干湿循环作用下石膏质岩的宏细观劣化特性。结果表明:(1)石膏质岩的力学参数随干湿循环呈减小趋势,干湿循环作用对各力学参数的劣化效应排序为:弹性模量抗拉强度单轴抗压强度内聚力内摩擦角。(2)二维颗粒流方法能够比较准确的模拟石膏质岩的力学性质。(3)围压和干湿循环次数对石膏质细观破坏特征都存在影响。随围压的增大,细观黏结间隙和细观剪裂纹的分布由"集中"趋于"分散"。随干湿循环次数的增加,细观黏结间隙和细观剪裂纹的分布则由"分散"趋于"集中"。     

膨胀岩岩层走向对隧道变形影响的研究

以重庆市礼让隧道石膏岩段工程为工程背景,采用有限差分软件FLAC2D对处于不同岩层走向中的膨胀岩隧道进行数值模拟。从宏观岩层走向对其膨胀特性的影响和微观膨胀单元平面应力状态分析两方面解释了模拟结果,阐明了膨胀岩岩层走向对其中隧道变形的影响,并揭示了洞周变形不利位置随地层走向的变化规律。在此基础上,结合现场的石膏岩岩层分布情况,提出了有针对性地进行局部加固的衬砌优化方案,并通过数值模拟验证了该方案能够显著增强膨胀岩隧道的稳定性。     

特殊隧道围岩的分级方法探讨

为探讨黄土、膨胀土、断层破碎带等特殊隧道围岩的分级方法,通过对目前国内外的研究进行总结,得到能反应特殊隧道围岩的特性的指标,采取不同的指标组合进行综合研究对其进行分级。研究认为：黄土可按地质年代、天然含水量、干密度进行分级;膨胀土可按塑性指数、自由膨胀率、标准吸湿含水率进行分级;断层破碎带可按地质力学特性进行分级。     

石膏质岩隧道新置换衬砌结构受力特征研究

为分析石膏质岩隧道衬砌结构置换施工后的受力特征,依托杜公岭隧道病害处治工程实例,在隧道病害处治施工阶段和运营阶段对6个不同病害现象的典型断面新置换衬砌结构的初期支护变形、初期支护钢架应力、初期支护-围岩接触压力、初期支护-二次衬砌接触压力等进行为期2.5年的现场测试。测试结果表明:在新置换初期支护单独承载的3~5个月时间内,初期支护的变形速率和变形量均较小,其中5个测试断面的拱顶沉降和周边收敛量最大,其分别为6.8,6.4mm;新置换初期支护钢架应力较小并且在二衬浇筑后较短时间就达到稳定状态,其中64处测点(总计72处)应力小于100 MPa;边墙芯样发现石膏、硬石膏成分的断面在二次衬砌浇筑后的26个月内,其边墙或拱顶测点的初期支护-围岩接触压力和初期支护-二次衬砌接触压力仍有明显变化,其中个别测点经过10~20个月才能达到峰值,另有个别测点在3~8个月到达峰值后受干湿交替环境影响会出现变化;综合分析认为,杜公岭隧道衬砌结构主要受到围岩中硬石膏的膨胀作用,石膏的吸水软化作用不明显,其围岩压力具有缓慢发展的特点,新置换二次衬砌承担了主要的围岩压力,新置换初期支护安全性较高;建议石膏质岩地层隧道二次衬砌不宜过早施作或者初期支护与二次衬砌间设置缓冲变形层,以充分发挥初期支护的承载力、减小二次衬砌承担的围岩压力。     

太行山隧道膏溶角砾岩工程特性试验研究

膏溶角砾岩具有强度低、土质不均、局部压缩性高的特点，属于复杂的特殊软岩，以太行山隧道Z5标段的膏溶角砾地质特征为依托，对膏溶角砾岩的地质背景、成因、工程特性等进行了分析研究，并着重介绍了膏溶角砾岩的工程性能现场试验分析结果。     

膨胀性软岩隧道致灾机制研究与应用

隧道建设的规模和数量迅速发展,相关理论研究却相对不足,随着隧道越来越多地穿越诸如软弱围岩、溶洞等复杂、恶劣地质区域,对施工技术和理论研究的要求也更高,如何做到规避灾害,安全施工是大家一直关注的问题。以重庆市某公路隧道为依托,对穿越膨胀性软岩段隧道,提出不良地质构造与围岩条件、水的因素、不规则地应力以及工程因素等导致隧道灾害的因素,不同因素相互关联、相互影响,根据分析结果采取相应的防治方案来规避灾害。利用Poyting-Thomoson模型计算隧道围岩变形,与现场监控量测数据相结合,对隧道膨胀性软岩段的围岩变形做出预测,得出最佳二次衬砌支护时间。同时从初支二衬间的应力角度对膨胀性软岩进行了持续监测,表明了膨胀性软岩隧道段防治方案达到了预期目标。从致灾机制来分析隧道建设,可以更好地为工程决策服务。     

南水北调工程粘土岩基本物理性质试验研究

粘土岩是南水北调中线工程总干渠潞王坟膨胀岩试验段具有代表性的膨胀岩之一。通过颗粒分析试验、击实试验、膨胀性试验和渗透试验来了解其基本物理性质,结果表明:①粘土岩的颗粒组成以粉粒、粘粒和胶粒为主,含有少量砂粒,级配一般;轻型击实、干土法制样时,粘土岩最优含水率为25.9%,最大干密度为1.56 g/cm3。②粘土岩的自由膨胀率为68%～70%,具有中等膨胀潜势;其无荷膨胀率、膨胀力均随干密度的增加而增加,但干密度达到1.60 g/cm3后,粘土岩的无荷膨胀率和膨胀力增幅均有不同程度的减缓。③粘土岩原状样和重塑样的渗透系数随着干密度的增大而减小。     

红层段地下水侵蚀性及岩层中石膏对某山区铁路的影响分析

结合某山区铁路红层区域地质勘探调查结果，对该段石膏盐岩层分布状况、环境水侵蚀性进行了统计分析、评价。结果表明:石膏盐岩层为层状分布，厚度以毫米计，地下水侵蚀性作用等级较低；石膏岩盐层并未带来硫酸根侵蚀性的显著增加；由于地下水通道的差别，侏罗系地层侵蚀性强于白垩系地层。根据施工揭示:该红层内薄层石膏的膨胀性对工程影响很小；堵塞排水管道的结晶物并非石膏；石膏层岩体的切割作用对隧道围岩整体稳定性影响很大，小进尺开挖、及时初喷初支可以很好地解决该问题。     

郑万高铁大断面岩质隧道掌子面稳定性评价及控制措施

为建立施工阶段大断面隧道掌子面稳定性评价方法,结合郑万高铁大型机械化特点,对郑万高铁湖北段隧道掌子面地质信息进行统计分析,将掌子面稳定性分为A整体稳定、B局部掉块、C上半断面不稳定和D全断面不稳定4个级别,并建立以岩石坚硬程度、岩体完整程度和地下水状态3个指标的掌子面稳定性定性分级方法,得出围岩级别与掌子面稳定性的对应关系。研究结果表明： 1）岩石坚硬程度、岩体完整程度和地下水状态是围岩分级指标中使用率最高的3个指标; 2）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩的掌子面稳定性为A级。     

漳龙高速公路扩建隧道围岩力学特性三维有限元分析

为分析隧道扩建过程中围岩的力学特性,确保施工期间围岩的稳定性,以漳龙高速公路后祠隧道扩建工程为依托,建立了反映实际地形的三维有限元模型,对后祠扩建隧道施工期间地表沉降、拱顶下沉、周边位移的特征以及拱脚和拱顶的应力变化规律进行计算分析。计算结果表明： 原位扩建隧道位移变化规律不同于普通新建隧道位移变化规律,隧道原位扩建施工过程中,地表沉降曲线表现出了明显的非对称性; 隧道掌子面前方12 m及掌子面后方24 m范围内变形较为迅速,为非稳定变形段; 根据隧道拱顶位移曲线,提出了针对扩建隧道位移空间变化规律的公式,该公式能预测后祠隧道的变形,从而为施工提供建议和指导; 隧道拱脚表现为压应力集中区,随着开挖的进行,拱脚主应力逐渐增大,而拱顶主应力逐渐减小并向拉应力过渡,最终拱顶呈现出较小的拉应力。     

流固耦合作用下浅埋偏压隧道扩建方式研究

为研究渗流条件下或流固耦合作用下的偏压隧道扩建方式,以成渝高速中梁山宋家沟1 号隧道为工程背景,针对渗流作用下既有浅埋偏压隧道的左侧小净距扩建、右侧小净距扩建、左侧原位扩建、右侧原位扩建4 种扩建方式进行数值分析研究,分析各种扩建方式下的拱顶沉降、围岩收敛、围岩应力、初期支护内力、围岩孔隙水压力折减量等,通过与隧道扩建施工监测资料进行对比, 发现数值模拟结果与施工监测极其吻合,验证了计算结果的可靠性。通过对4 种扩建方式进行对比分析认为: 1)采用小净距扩建时的围岩收敛变形、围岩竖向应力等均小于原位扩建; 2)从针对地下水资源保护的角度出发,采用左侧小净距扩建时对地下水资源的保护效果明显优于其他3 种扩挖方式; 3)扩建隧道围岩孔隙水压力的折减在各个方向均呈现出明显的梯度变化,隧道施工过程中的涌水量大部分来自扩建隧道上部围岩。     

塌方段原位扩建四车道公路隧道“回填-台阶法”施工力学及安全分析

为了深入探究塌方段原位扩建四车道公路隧道施工力学及安全性的问题,以福州市马尾隧道原位扩建工程为背景,在准确确定塌方体空间范围及工程特性的基础上,针对性提出“回填-台阶法”施工技术,并对塌方段原位扩建四车道公路隧道“回填-台阶法”动态施工力学及安全性进行分析。研究结果表明：①运用理论分析、数值计算、多道瞬态瑞雷面波探测技术相结合的方法可准确地获得既有隧道塌方体的空间范围和尺度;②兼顾施工技术与工期双重目标,提出了塌方段原位扩建四车道公路隧道施工方案,即塌方冒顶区通过地表注浆与洞内中空玻璃纤维锚杆进行加固,扩建开挖采用“回填-台阶法”,实现快速施工;③“回填-台阶法”施工时,隧道上半断面（1^#部）的开挖是整个施工过程的关键,结构内力增长迅速;受隧道上方塌方体和既有隧道影响,最大正弯矩出现在左拱肩处;地表最大沉降量出现在隧道中线右侧3 m处,主要由上台阶开挖引起;围岩变形主要发生在3^#开挖前,4^#开挖时围岩变形基本收敛。马尾隧道施工过程中,地表沉降、围岩及支护体系变形、支护结构受力等监测结果均满足施工安全要求,验证了施工方案的可靠性和安全性,该研究成果可进一步丰富超大扁平断面隧道的修建技术,并为今后类似的工程提供一定的借鉴。