含水率对昔格达地层大断面隧道初期支护安全性影响研究

昔格达地层具有水稳性差、易崩解等特点,常常引发隧道初期支护结构开裂、围岩掉块、坍塌冒顶等灾变事故。为了研究围岩含水率对昔格达地层大断面隧道初期支护安全性的影响规律并及时预防灾变事故,以成昆铁路复线桐梓林隧道为工程依托,通过数值模拟对比分析5种典型围岩含水率下隧道初期支护结构的受力特性和变形规律,根据相关规范规定的洞周变形标准和结构强度安全系数标准界定现有支护参数所能够维持的围岩含水率阈值为29%,并为超过此围岩含水率阈值的隧道支护参数提出优化方案。通过现场监控量测数据验证数值模拟计算结果的可靠性和合理性,研究成果不仅完善了昔格达地层大断面隧道设计参数,同时为类似工程提供借鉴和参考。     

昔格达地层隧道围岩灾变特征及致灾因子研究

研究目的:西南地区面积分布较为广阔的昔格达地层,因其遇水易泥化等特点严重影响着成昆铁路沿线隧道工程的建设,因此对其展开研究具有一定的现实与工程意义。本文对昔格达地层隧道围岩破坏形态进行现场调研,通过现场采样、室内试验、数值模拟、现场监测和理论分析等手段对昔格达地层隧道围岩灾变特征与致灾因子进行深入研究。研究结论:(1)隧道穿越昔格达地层出现灾变数量多,尤其出现拱顶沉降、水平收敛过大、仰拱隆起基底突泥和掌子面塌方等典型灾变模式;(2)昔格达地层隧道围岩含水率在0%~25%范围内时,拱顶沉降、水平收敛、仰拱隆起和掌子面挤出变形等位移变化趋势较为一致,开挖过程中随着含水率的逐渐增大,隧道围岩变形越来越明显,当含水率从25%渐变到30%时,各部位的位移变化急剧增大,含水率在30%时,隧道各部位的累积沉降值达到隧道灾变状态,因此可将含水率25%定为昔格达地层隧道灾变临界值,含水率30%定为昔格达地层隧道围岩灾变值;(3)通过建立灾变因子指标体系,构造判断矩阵并赋值,利用层次分析法确定各因子的权重,灾变源因子影响权重最大的为昔格达地层自身地质及岩体力学性质因子0.625 0,其次是水文地质因子0.238 5,水文地质因子主要为地下水指标影响最大;(4)本研究结论可为西南地区昔格达地层隧道安全快速施工提供指导。     

浅埋软岩隧道围岩变形的分形结构分析

运用分形理论,对湖南省张家界市长茂山铁路隧道开挖过程中围岩的变形特征进行了分析。结果表明:软岩隧道围岩变形在时间上具有分形特征,并且表现出很好的自相似性;在相同埋深条件下隧道拱顶变形量的时间分形维数最大,拱肩次之,边墙最小;当隧道埋深≤14 m时隧道拱顶变形量的时间分形维数具有随埋深的增大而线性增加的趋势;当埋深14 m时隧道拱顶变形量的时间分形维数趋于稳定,受埋深的影响很小。     

地面荷载及围岩自重作用下浅埋隧道的围岩应力解

基于复变函数解法,借助Verruijt提供的保角映射公式,将含孔洞的半无限平面映射为圆环域,然后利用解析函数将圆环域内的复势函数展开成Laurent级数,并利用地表及洞周边界条件的级数展开式在圆环域上的收敛性对其进行求解,从而得到地面荷载及围岩自重作用下浅埋隧道的围岩应力场。利用该解析解研究各因素对隧道围岩稳定性影响的结果表明:当隧道埋深较小时围岩以拉—剪综合破坏为主,埋深较大时围岩主要发生边墙剪切破坏,且埋深越大剪切区的范围及半径越大;地面荷载越大,围岩产生的塑性区范围及其半径越大,且随着地面荷载的增大,塑性区沿着一定角度向地表方向扩展,容易产生地层坍塌;侧压力系数较大时,围岩以剪切破坏造成的整体失稳为主,侧压力系数较小时,围岩以拉—剪综合破坏为主,且侧压力系数越小越易发生地层坍塌。     

近接浅埋偏压黄土隧道支护结构的力学特性分析研究

研究目的:解决新建复线隧道与既有隧道平行近距离修建时,既保证新建隧道安全施工,同时确保既有线隧道的安全运营的问题。研究结论:(1)在浅埋偏压条件下,新建黄土隧道拱部下沉量和净空收敛量均较大;(2)围岩压力分布呈不对称猫耳状;(3)钢拱架远离侧应力大于临近侧应力,在支护体系中作用较大;(4)拱部和边墙喷射混凝土处于受压状态,而底部多为拉应力;(5)拱部系统锚杆受力较小,对结构的稳定性作用不大,而锁脚锚杆对结构的稳定性有一定的作用;(6)既有隧道受新建隧道开挖影响比较明显,新建隧道开挖对既有隧道产生了偏压和拉伸两种效应;(7)两近接隧道之间的间距对既有衬砌的影响较大,当间距一定时,临近侧所受影响大于远离侧所受影响。     

软塑黄土二元地层隧道变形特征及监测分析

当隧道斜向上穿越软塑黄土夹层时,隧道拱部逐渐脱离软塑黄土层,使得围岩处于"上硬下软"的二元地层状态。由于软塑黄土含水率高、稳定性差、承载力低,使得大断面隧道在这种二元地层下的变形特征不尽相同。本文依托银西高铁上阁村隧道,基于室内试验、数值计算、现场监测等手段,分析"上硬下软"二元地层下隧道围岩位移演化规律,揭示隧道围岩变形特征。结果表明:随着软塑黄土层的下移,拱顶累积沉降量逐渐减小并趋于稳定;当软塑黄土分布于边墙时,围岩软弱,软塑黄土变形量大,变形时间长;当软塑黄土分布于隧底时,隧底围岩隆起值及下台阶水平收敛较大;随着隧道穿出软塑黄土层,净空收敛逐渐减小并趋于稳定。     

锚杆在隧道初期支护体系中的作用机理分析

通过理论分析对锚杆在围岩和隧道初期支护体系中的作用机理进行探讨,运用数值模拟的方法对Ⅲ～Ⅴ级围岩中考虑锚杆作用后初期支护的受力响应规律进行分析总结。结果表明,在Ⅲ级围岩(浅埋段)、Ⅳ级围岩中,锚杆对初期支护受力的改善作用较为突出,对于Ⅴ级围岩,由于其坍落拱范围远远大于拱部锚杆及周边岩体形成的组合拱结构,拱部锚杆的作用微乎其微,而边墙锚杆能有效改善初期支护受力状况,且利于稳固钢架。因此,边墙锚杆的设置显得更有必要。最后,对现行衬砌通用图的设计参数提出了建议。Ⅲ级围岩(浅埋段)和Ⅳ级围岩深埋工况安全系数较大,建议适当优化设计参数;Ⅴ级围岩工况的围岩压力小于Ⅳ级围岩(浅埋段),而初期支护设计参数却强于Ⅳ级围岩(浅埋段),建议优化Ⅴ级围岩初期支护参数,使各级围岩初期支护的安全度较为一致。     

高地温环境下隧道初期支护力学性能研究

以川藏铁路桑珠岭超高地温隧道为研究对象,采用现场实测和热-力耦合数值模拟手段,对超高地温环境下初期支护的力学特性展开研究。结果表明:隧道开挖后,初期支护混凝土应力在10 d内变化较快,18 d后基本稳定;初期支护轴力和弯矩随温度的升高而成增大趋势;随着围岩初始温度的升高,初期支护最大压应力、拉应力与无温度场时的比值逐渐增大,扩大倍数可表示为围岩初始温度的二次函数;当围岩初始温度大于50℃时,初期支护存在破坏趋势;随着围岩温度的升高,初期支护最大压应力的分布范围由边墙扩大到边墙和拱腰,最大拉应力由墙脚扩大到墙脚、拱肩和仰拱。研究结论对高地温隧道初期支护的施工有一定的指导价值。     

西成客运专线福仁山隧道地质勘察

通过对西成客运专线福仁山隧道地质条件的分析,研究总结了福仁山隧道可能存在的地质问题。根据地应力测试结果,该隧道埋深300～500 m围岩中存在中-高地应力,埋深大于500 m的围岩中存在高地应力,局部地段存在极高地应力,有发生中等岩爆的可能。在洞身大理岩岩溶发育及部分隧道浅埋地段,产生突、涌水(泥)的可能性较大。隧道通过断层破碎带、褶皱核部、地层接触带、长大密集节理带等地段时,施工时极有可能出现坍塌等围岩失稳现象,针对以上问题,在设计及施工中应加强超前支护且及时衬砌,并加强排水措施。     

基于总安全系数法的隧道围岩压力代表值研究

研究目的:由于地质条件的千变万化、施工水平的差别、支护参数的不同,即使围岩条件相同,围岩压力在时空上也具有变异性,导致实际围岩压力难以确定,而采用总安全系数法设计时,仅需要寻找围岩压力的最不利情况。为此,提出深埋隧道采用围岩压力代表值作为设计支护力的理念,并对其计算方法与合理性展开研究。研究结论:(1)采用"围岩压力代表值"作为设计支护力,为解决安全系数设计法中实际围岩压力难以确定的问题提供了思路;(2)当埋深不小于10～15倍洞径时,建议采用无支护状态下隧道(等效为当量圆)顶部45°位置处塑性区边界至开挖轮廓线范围内的围岩自重作为围岩压力代表值;当埋深小于10～15倍洞径时,可取弹塑性有限元计算的拱部90°范围内的平均塑性区自重作为围岩压力代表值,该计算结果具有合理的安全性与经济性;(3)当软弱围岩的两端为较好围岩时,荷载具有空间效应,导致围岩压力代表值低于理论计算值,具体折减值与隧道洞径、软弱围岩的长度等因素有关,超前注浆加固圈具有明显的承载作用,可以显著降低围岩压力代表值;(4)本研究结果可为完善隧道支护结构的量化设计方法提供思路。     

红黏土隧道围岩含水率变化及变形特征分析

银西高速铁路庆阳隧道洞身主要围岩为红黏土。本文通过现场监测,对庆阳隧道从初期支护开始近2个月内围岩含水率、钢拱架应力及围岩变形的变化规律进行分析。结果表明:红黏土隧道围岩含水率、钢拱架应力和围岩变形先增大而后趋于稳定;含水率和钢拱架应力的增长波动期一般为2～4周,围岩变形增长期一般为2周;含水率趋于稳定后拱顶和拱腰处围岩含水率明显小于拱脚和仰拱处;增长期围岩变形线性增大,变形基本稳定后拱顶沉降大于水平收敛;钢拱架承受围岩压力,对确保红黏土隧道围岩的稳定起着重要作用。     

基于突变理论的隧道洞口浅埋段软弱围岩失稳分析方法

针对隧道洞口浅埋段多位于覆盖层、坡积层或风化严重的软弱破碎岩体中,极易发生失稳破坏的现实问题,以某隧道为工程背景,提出1种基于突变理论的隧道洞口浅埋段软弱围岩失稳分析方法。根据隧道围岩失稳情况,建立隧道洞口浅埋段围岩力学模型,采用Weibull分布函数,描述隧道上覆软弱地层的本构关系;根据总势能原理建立围岩失稳破坏的尖点突变模型,导出围岩失稳的力学判据;将地表沉降监测数据和尖点突变模型进行有效融合,建立隧道围岩稳定性预测模型,导出围岩稳定性判别式;以隧道5处典型断面为例,选取出现明显失稳征兆之前的7 d监测数据进行验证。结果表明:隧道洞口浅埋段围岩失稳与上覆地层的应变软化程度、刚度比及含水率相关;隧道围岩失稳力学判据和稳定性判别式的判别结果与现场实际围岩情况一致;利用地表沉降数据建立的围岩稳定性判别式来预测围岩的稳定性是合理可行的。     

散粒体地层土压盾构掘进掌子面稳定性研究

采用三维离散元方法开展了考虑动态掘进过程条件下的散粒体地层土压盾构掌子面稳定性研究。首先建立与文献[14]室内模型试验相匹配的三维离散元模型,通过对比两者之间结果验证数值方法的合理性,然后采用验证的数值方法建立原型土压盾构模型并在散粒体地层中掘进,探讨隧道埋深、地层特性以及施工扰动等因素对掌子面稳定性的影响规律,并从颗粒运动层面解释隧道失稳机理。研究结果表明:盾构施工过程削弱掌子面稳定性,极限支护压力pf增加,影响程度与面板开口率和掘进状态相关。pf随土体内摩擦角增大而减小,砂土和砂卵石中pf随隧道埋深线性增加。当隧道埋深较大时,密实砂卵石地层中pf基本不再变化。当埋深较浅时,失稳区发展至地表,覆土厚度较大时拱顶上方形成稳定塌落拱,失稳区分布范围随内摩擦角增大而减小。研究成果对散粒体地层中修建盾构隧道确保掌子面稳定具有指导意义。     

成昆铁路昔格达地层工程地质特性及对策研究

研究目的:成昆铁路是四川、西北地区与云南省及东南亚地区的重要连接通道,沿线昔格达地层分布较广,但受其成因机制、物理力学特性、构造条件及地下水等因素的影响,在工程上主要表现为边坡失稳破坏及隧道围岩大变形等工程问题,给工程建设带来巨大危害。本文结合成昆铁路扩能改造工程建设,在前人研究的基础上,针对穿越昔格达地层铁路修建的关键技术问题,通过试验分析,提出其合理的地质参数和工程措施,从而解决实际工程问题。研究结论:(1)昔格达地层为极软岩,产状平缓,具有水稳性差、透水性弱的特性;(2)针对路基工程,昔格达地层路堑边坡当岩层倾角≥5°时应考虑顺层影响,高填方及斜坡填方段应设侧向约束桩,加强地表排水及坡面防护,防止基底受水软化;(3)针对桥梁工程,昔格达地层宜作为明挖基础和桩基础的持力层,但基坑开挖后应尽快浇筑混凝土,以免坑壁坑底渗水软化变形;(4)针对隧道工程,昔格达地层应遵守"短进尺、重超前、少扰动、严控水、强支护、快封闭、早衬砌"的极软岩隧道施工原则;(5)本研究成果对我国西南山区类似工程地质条件下的铁路、公路等工程建设具有借鉴意义。     

昔格达地层大断面隧道下穿既有建筑施工技术研究

昔格达地层是分布于我国攀西地区的一种特殊半成岩,具有孔隙比大、粘结力差、水稳性差等特点。本文以米攀铁路攀枝花段冉家湾隧道为工程依托,以严格控制地层及地面建筑物的沉降和变形为目的,对昔格达地层隧道下穿既有建筑物施工技术展开研究。结果表明,昔格达地层大断面铁路隧道采用大管棚超前支护和三台阶七步开挖法可安全下穿既有建筑物,沉降最大值为84.19 mm;增大锁脚锚杆支护参数、保证注浆质量,可以更好地控制地表建筑物沉降。     

浅埋偏压连拱隧道施工过程有限元分析

对于浅埋偏压连拱隧道洞口软弱围岩段,采用三导洞配合台阶法施工是可行的.其施工顺序采用先浅埋-侧隧道再深埋-侧隧道.在施工过程中,中墙不会因为地表的偏压和不对称施工而产生过大变形,从而影响中墙的稳定性.在施工中及时施作初期支护有利于控制围岩变形,进而满足围岩稳定和施工安全.当地形较低一侧埋深较浅时,应采用人工回填土的方式来增大覆盖层厚度,以便满足隧道进洞的最小埋深,同时应采用管棚加固围岩.     

宝兰客运专线二沟墩黄土隧道施工技术

宝兰客运专线二沟墩黄土隧道按原设计施工出现拱顶沉降速率加快、初期支护拱部裂缝等问题,对该隧道下穿沟谷浅埋段原设计的超前加固和初期支护参数进行了优化,并对优化前后施工过程中隧道内典型断面的围岩变形数据进行了对比分析。结果表明:在1.5倍断面宽度处超前中管棚开始发挥很好的支护作用;在加强超前加固和支护的条件下,对于断面宽度13 m的大断面黄土隧道封闭成环初期支护断面距掌子面的距离控制在20 m以内能够保障施工安全。     

基于荷载结构法的隧道初期支护设计方法研究

研究目的:现有隧道初期支护的设计方法主要有工程类比法、地层结构法、特征曲线法等,这些方法在实际工程应用中均存在一定的局限性和困难,且没有提出明确的安全系数要求,导致设计的可靠性降低,不便于设计应用,因此有必要研究便于量化设计并具有明确安全系数的荷载结构法。研究结论:(1)本文所建立的初期支护荷载结构模型,可以得出初期支护的具体安全系数;(2)在锚杆长度满足模型三所需安全系数的前提下,喷锚组合支护的安全系数由喷层和锚杆各自的安全系数相加而成;(3)初期支护的最小安全系数取值需要根据计算模型的计算精度、初期支护的设计作用以及隧道工程的特点等因素综合确定,建议初期支护作为承载主体时为1.8～2.1,作为临时支护时为1.3～1.5;(4)现行时速350 km高速铁路双线隧道深埋Ⅲ、Ⅳ级围岩支护参数的安全性计算结果表明,当初期支护作为承载主体时,Ⅲ级围岩支护参数具有一定的优化余地,Ⅳ级围岩支护参数能适应400 m以内埋深;当初期支护仅作为临时承载结构时,Ⅳ级围岩支护参数能适应1 000 m以内埋深;(5)隧道埋深对围岩压力影响较大,建议按照不同埋深进行初期支护设计,以提高经济性;(6)本研究结果可为隧道初期支护设计提供思路和方法。     

曲线盾构隧道开挖面被动极限支护力分析

研究目的:曲线盾构隧道在掘进过程中,开挖面受力极其复杂,稳定性难以控制,容易因千斤顶推力过大而造成前方土体的隆起现象。本文以砂土地层为例,基于筒仓理论和极限平衡法,建立曲线盾构隧道开挖面在前方土体被动破坏条件下的"倒梯台-楔形棱柱体"分析模型,提出开挖面被动破坏极限支护力计算方法,然后通过编程试算和数值模拟验证本文所述模型及计算方法的可靠性与准确性。研究结论:(1)被动极限支护力随埋深和内摩擦角的增加而增大,且增长速率逐渐加快;(2)当线路曲率半径小于200 m且土体内摩擦角大于25'时,被动极限支护力对线路曲率半径非常敏感,当线路曲率半径大于800 m时被动极限支护力与直线隧道几无差别;(3)数值模拟结果显示,数值解与理论解变化趋势一致且相差较小;(4)本研究结果可为类似曲线盾构隧道,尤其是小转弯半径盾构隧道开挖面被动极限支护力的确定提供理论基础。     

Ⅳ级围岩三车道隧道最优锚杆间距分析及研究

以马峦山隧道工程为依托,采用室内模型试验和数值模拟验证的手段对Ⅳ级围岩三车道大断面隧道锚杆间距的最优性进行研究。模型试验结果表明,从不同锚杆间距的各监测点位移变化规律及极限承载力方面来看,锚杆间距0. 5 m×0. 5 m工况与1 m×1 m工况整体差距较小,隧道稳定性较好,且各监测点位移皆小于安全控制基准值;锚杆间距1.5 m×1.5 m工况隧道拱顶、边墙、拱底三个监测点位移值超过规定阈值,处于不安全状态。数值模拟验证分析表明,锚杆间距大于1.0 m×1.0 m时,洞周围岩和衬砌受力均变化明显,洞周位移也在持续变化;但当锚杆间距小于1 m×0. 75 m时,衬砌和拱架受力基本不变,洞周位移也趋于稳定。从围岩变形控制与柔性支护理念出发,考虑经济性,锚杆间距1.0 m×1.0 m～1.0 m×0.75 m为最优区间。