软弱围岩隧道机械化全断面施工超前支护体系设计方法研究

保证掌子面的稳定是实现软弱围岩隧道机械化全断面施工的前提,合理的超前支护措施及参数是控制掌子面稳定性的有力手段。针对目前隧道超前支护设计方法不完善且多依赖于工程经验的现状,提出隧道超前支护体系定量化设计方法。基于经典楔形体模型,推导了考虑四种常用超前支护措施(掌子面喷混凝土、超前管棚、掌子面锚杆、掌子面预注浆)时掌子面稳定系数K的计算公式,提出了掌子面喷混凝土支护力P_1、掌子面锚杆支护力P_2、管棚支护下围岩压力折减系数α_1、掌子面预注浆加固后围岩黏聚力增大系数α_2的计算方法,制定了隧道超前支护体系设计流程,并以郑万高速铁路荣家湾隧道为背景验证了该计算方法的合理性。研究成果可以为软弱围岩隧道超前支护体系设计、优化提供理论支撑。     

软弱围岩隧道变形特性及控制措施

为研究隧道软弱围岩变形特性及控制方法,基于FLAC 3D有限差分方法,采用基于HoekBrown屈服准则的应变软化模型,分析银瓶山隧道掌子面预加固及超前支护对软岩隧道大变形的影响。研究结果表明:采用Hoek-Brown应变软化模型计算所得的围岩变形量大于采用理想弹塑性模型计算结果;针对隧道软弱围岩的大变形特性,提出掌子面预加固与超前锚杆相结合的支护方案。经实施和现场监测,该支护方案不仅能控制掌子面挤出位移,而且能有效控制软弱围岩的纵向位移。     

堡镇隧道高地应力软弱围岩段施工大变形数值模拟预测研究

高地应力软弱围岩段施工将不可避免地产生大变形,做好施工期围岩变形的预测工作对隧道安全施工至关重要。采用大型有限差分程序对宜万铁路堡镇隧道大变形段施工进行了三维数值模拟,并将模拟结果与实测变形结果做了对比,验证三维数值模拟的可靠性,掌子面与监测断面距离较近时数值模拟预测围岩变形有较高的精度,但随着监测断面与掌子面距离的增大预测误差逐渐增大。     

不同地应力场软岩隧道渐进破坏试验与分析

针对软弱地层中常常发生的隧道塌方事故,以Ⅳ级围岩深埋公路隧道为对象,利用模型试验方法研究特定应力场下无支护隧道围岩的渐进破坏机理。采用弹塑性损伤本构模型,对模型试验工况进行有限元数值模拟,并在此基础上,对不同初始地应力场的情况进行扩展分析。研究结果表明:1)隧道开挖后围岩的破坏区主要集中在隧道拱顶上方,数值计算中用损伤变量最大值表示的破坏区与模型试验吻合较好;2)随着侧向压力系数的增大,松动破坏区面积随之扩大,且主要区域由隧道边墙两侧逐渐转变为隧道拱顶、拱底区域;3)随着侧向压力系数的增大,边墙水平收敛位移逐渐减小,拱顶收敛位移逐渐增大。     

软弱围岩3孔小间距平行浅埋隧道施工力学研究

通过模型试验和有限元计算方法对软弱围岩3孔小间距平行浅埋隧道施工力学作了深入阐述,认为不同的施工方法对3孔平行隧道施工的支护结构安全性、围岩压力、地表沉降规律都有很大影响.     

黏性土地层中盾构隧道开挖面极限支护力理论解

基于黏性土地层条件下盾构隧道开挖面模型试验和数值模拟的失稳破坏形态,对常规楔形体模型进行修正,建立棱柱楔形体模型。通过极限平衡法得到考虑土拱效应黏性土层盾构隧道开挖面极限支护力的解析表达式。采用FLAC 3D建立数值计算模型,通过多因素敏感性分析方法,确定开挖面破坏极限状态的支护压力比。将本文解析解与数值分析解、既有理论解以及离心机试验结果进行对比,验证了本文解析解的合理性和适用性。     

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。     

下穿砂土地层掌子面盾构推力大小的极限分析

研究目的:确定掌子面推力大小是保障周边土体稳定的重要前提,在下穿既有隧道工程中更为关键。基于极限平衡法和筒仓理论,考虑既有隧道的荷载作用,推导砂土地层中下穿既有隧道工况下掌子面盾构推力计算公式,通过数值模拟和实际工程验证公式的正确性。在此基础上讨论考虑既有线和不考虑既有线两种计算方式的适用性,最后分析土体内摩擦角、两线距离及覆土厚度等参数对掌子面极限推力的影响。研究结论:(1)筒仓理论适用于下穿既有线工程掌子面极限推力计算,推导所得公式计算结果更精确;(2)砂土地层中盾构下穿既有隧道时,掌子面盾构极限推力随着与既有隧道间距、覆土厚度增加而增大,随着土体内摩擦角增大而减小;(3)本研究成果为新建隧道盾构安全下穿既有隧道工程提供理论参考。     

岩体隧道围岩弹塑性变形条件下管片衬砌支护机理研究

基于D-P屈服准则的围岩支护作用理论,以隧道掘进机(TBM)施工过程中支护位置与掌子面的距离作为动态参数,综合考虑注浆圈的应力变形特征,构建岩体隧道围岩弹塑性变形条件下围岩、注浆圈和管片衬砌三者动态变形协调方程,提出三者的变形计算方法和管片衬砌围岩压力计算方法,明确管片衬砌对采用TBM开挖的岩体隧道的支护机理。针对新街台格庙岩体隧道工程实例,计算不同支护条件下围岩变形及管片衬砌围岩压力,并通过数值模拟验证理论方法的合理性和有效性。结果表明:如果在掌子面开挖处开始进行支护,管片衬砌围岩压力将达到1.91 MPa,管片安全系数仅为0.76;如果在掌子面后4 m开始进行支护,安全系数将提升至1.25。建议距离掌子面12 m处开始进行支护,可将围岩压力降至0.24 MPa,管片衬砌具有较高的安全系数。     

大断面软弱围岩隧道合理开挖方法研究

贵广铁路天平山隧道开挖面积远远超出了常规普速铁路双线隧道,且需穿越高地应力软弱围岩地层,施工中遇到了掌子面不稳定,易坍塌,初期支护变形侵限严重,隧道施工进度极慢等突出问题。本文基于大断面软弱围岩隧道施工常用工法(包括台阶法、双侧壁法、CD法和CRD法)基本特征的系统总结和分析,评价了各种工法的优缺点,并利用数值程序再现了大断面软弱围岩隧道的施工过程,开展了工法比选的数值模拟分析,提出了以三台阶七步开挖为核心,通过一系列加强掌子面稳定性和洞周围岩稳定性控制的技术措施。     

非线性破坏准则下浅埋隧道支护参数上限解

鉴于土体材料破坏准则的非线性以及参数离散的自然属性,针对浅埋隧道的稳定性问题,提出基于极限分析非线性理论的可靠度计算方法。研究结果表明:将非线性破坏准则退化成线性破坏准则后,本文计算结果与已有研究成果基本一致,验证了文中方法的正确性。在上限解分析中,土体的非线性系数对围岩压力以及破坏范围有很大影响,建议进行支护设计时必须考虑土体破坏准则的非线性,防止因支护力过小或安全系数不足而引发坍塌事故。在可靠度计算中,非线性系数是影响隧道结构可靠度的主要因素,针对非线性系数给出了浅埋隧道满足3种安全等级所需要的安全系数与支护力,为隧道设计规范进行了补充,也为今后浅埋隧道的支护设计提供了参考价值。     

穿越分层地层的盾构隧道开挖面稳定机理研究

基于塑性力学极限分析上限法,通过空间离散技术,建立圆形盾构隧道穿越分层地层时开挖面失稳的三维破坏机构,推导盾构开挖面极限支护压力的计算方法,获得最优上限解。针对单一地层,将极限支护压力计算方法与前人提出的3种多块体模型计算方法进行对比,分析黏聚力、内摩擦角等强度参数差异对极限支护压力的影响,同时验证本文方法的准确性。针对2种地质强度差异较大地层,将此方法和数值模拟计算的极限支护压力进行对比,研究地层差异性对极限支护压力的影响,发现2种方法计算结果吻合度较高。研究表明:极限支护压力随上部软弱地层在开挖断面竖直方向上的厚度占开挖断面总高度的比例增大而增大,并随地层内摩擦角、黏聚力差异的增大而增大。     

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。     

锚注联合支护效果的数值模拟研究

研究目的:采用数值计算的方法从控制隧道变形、塑性区扩展,提高锚杆锚固力,减少初期支护受力等方面对锚注支护与常规喷锚支护的支护效果进行对比研究.研究结论:以具体工程为例,采用数值计算的方法对破碎软弱围岩条件下锚注支护与常规喷锚支护的支护效果进行了系统分析和对比研究.研究表明:对松散、破碎围岩而言,锚注联合支护通过提高围岩强度、锚杆锚固力,从而提高围岩自承能力及支护结构作用在洞室周边的径向压力,与常规喷锚支护相比可有效限制围岩变形,抑制塑性区的发展,提高锚杆锚固力,减少钢拱架及喷射混凝土层的受力,提高初期支护稳定性,特别适宜于破碎软弱围岩的支护.     

上软下硬地层隧道掌子面稳定性及塌方形态

为分析上软下硬地层对新奥法施工隧道稳定性的影响,定义掌子面软弱地层相对厚度系数无量纲参数;应用有限元模拟和强度折减相结合的方法,研究不同相对厚度系数下隧道掌子面的稳定性及其塌方形态。结果表明:软硬地层分界线在掌子面中,软弱地层相对厚度系数越大,稳定性越小;随着软弱地层相对厚度系数的增大,掌子面前方塌方范围扩大,最大位移在掌子面软弱地层中心偏下位置,应力拱的范围在扩大,且传递到掌子面下部的力更大,因此更应注重掌子面下部的加固。黏聚力和内摩擦角对掌子面稳定性的共同影响存在最优路径,沿此路径加固效果最为有效;掌子面稳定性随土体重度、开挖高度和掌子面软弱地层厚度的增大而减小;覆跨比对掌子面稳定性影响存在极值,以此作为确定隧道合理埋深的参考条件之一;地表超载只在浅埋情况下才影响掌子面的稳定性。     

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。     

隧道断层区极限位移模拟的探讨

确定软弱围岩隧道在高地应力作用下的极限位移时,可采用弹塑性有限元分析。通过计算毛洞的极限位移,支护后隧道的极限位移,二次衬砌后隧道的极限位移,以及结合岭脊千枚岩地层区和F7断层区段隧道极限位移模拟计算,得出隧道稳定性位移判别,隧道失稳的经验先兆,围岩和初期支护基本稳定的主要条件等方法。     

高速铁路大断面隧道浅埋段软弱围岩施工方法优化研究

针对花甲山隧道浅埋段工程地质条件,采用数值计算和现场测试方法,分析了浅埋段软弱围岩采用CRD法和大拱脚台阶法施工时围岩位移变化规律,并将数值分析结果和现场测试数据进行对比。综合比较两种施工方法的施工工效、经济成本和施工安全等因素,提出花甲山隧道浅埋段建议采用大拱脚台阶法施工的结论,为相类似工程提供借鉴。     

软弱围岩隧道大变形系统控制技术研究

针对隧道施工过程中,普通支护方案很难有效地控制软弱围岩变形。本文依托青峰软岩隧道,提出了相应的施工工法、掌子面稳定对策、拱脚稳定控制技术、合理刚度及强度支护措施等软岩隧道施工大变形系统控制技术。并采用数值模拟及现场监测手段,研究了上述系统控制技术对软弱围岩隧道大变形的控制效果,现场施工结果表明:在该系统控制技术指导下,该软岩隧道大变形能够得到成功控制。     

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.