软弱围岩初始地应力下的衬砌受力分析

结合某隧道工程实例,利用有限元分析方法和工程类比法。分析隧道衬砌在软弱岩层不同初始地应力作用下的受力和围岩的变形情况。得出随着围岩初始地应力的增加,围岩的最大水平和竖直位移、锚杆和初支最大轴向应力接近线性增加趋势,且随初始地应力的改变,最大值节点的值仍为最大。与初支相比二次衬砌受力极小,证明其具有安全储备的作用。这一结果与施工现场观察的现象基本吻合,为今后软弱围岩条件下隧道衬砌支护设计起到参考性价值。     

极高地应力区隧道地质特征及围岩变形机制研究

以某在建高速铁路隧道作为工程实例,结合地质情况,从初始应力、岩体结构和地下水分析了影响围岩的因素。运用理论分析和现场监控量测反馈结果等综合方法,从监控量测数据时态曲线特征、方向性、累计变化量、变形速率、时效性、现场围岩变形情况、隧道施工影响、变形段变形差异性等方面系统分析了极高地应力区隧道围岩变形特征及机制,并得出如下主要结论:1)极高地应力区围岩应力释放有一定的过程,不同的围岩应力释放的速度可能不同,爆破对围岩产生扰动,将一定程度加速围岩应力的释放。2)围岩地质条件不同,变形规律会表现出一定的差异性。3)围岩的变形机制,层状围岩的变形破坏一般形成几个区域:破坏区,崩塌,滑动滑移,张裂、弯曲及折断。4)本隧道围岩变形特征主要是由极高地应力和岩体结构综合决定的,隧道初期支护变形情况一定程度上是隧道围岩变形特征的有效反映。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

高地应力软岩隧道衬砌裂损重新施作段结构安全性分析

为研究高地应力软岩隧道衬砌裂损重新施作段结构的安全性,依托木寨岭隧道衬砌裂损段,通过现场监测和数值模拟的方法,分析高地应力软岩隧道衬砌裂损重新施作段结构变形受力特征,进而分析结构的安全性。现场监测结果表明： 衬砌裂损重新施作后,前3层支护几乎承担了所有的围岩压力和变形,通过层层支护、分层抵抗的方法来逐渐降低衬砌受力,保证衬砌结构的安全。通过数值计算对比分析衬砌重新施作前后的隧道受力变形状态,其中重新施作后衬砌各位置混凝土应力和钢筋应力增长趋势均不明显,计算得到衬砌裂损重新施作段结构安全系数均处于3.3~8.1,各位置安全系数均大于规范中的要求值,说明结构处于安全状态。     

基于层状围岩变形特征的高地应力陡倾板岩隧道合理洞型研究

即将开工建设的川藏铁路雅安至昌都段，隧道穿越地层多以陡倾（立）变质层状板岩为主，埋深大都在千米左右，地应力高或极高，其建设面临着很严重的大变形问题，给设计阶段初期带来极大挑战。针对以上工程背景，基于层状围岩的变形特征，对高地应力陡倾板岩隧道的合理洞型选择展开研究。首先通过解析计算分析圆形洞室层状围岩的变形特征，并进一步采用离散元数值模拟计算分析马蹄形洞室的变形特征，经相互对比验证数值计算的可行性和合理性，在此基础上，对比研究高地应力陡倾板岩地层单洞双线隧道、双洞单线隧道选择对控制变形的优越性，最后在选定的双洞单线隧道洞型基础上进行优化选择。研究结果表明：与岩层倾角垂直处围岩以结构变形为主，结构面张开变形与薄层结构的弯曲变形为变形的主要来源，且垂直结构面方向围岩变形程度与影响范围均大于其他方向；从控制隧道变形及开挖影响范围考虑，在高地应力陡倾（立）板岩地层采用双洞单线隧道更为合理；在高地应力陡倾（立）板岩地层中，单线隧道高跨比为1.02~1.06时，变形控制最好，而圆形隧道由于开挖面积的增大并非为最优断面。     

层状岩体隧道变形特征及非对称支护研究

层状岩体隧道开挖后,围岩的变形破坏具有明显的非对称特征。文中以郑万(郑州—万州)高速铁路罗家山隧道为工程背景,对比分析台阶法和全断面法开挖时,有无支护条件下隧道拱顶沉降、仰拱隆起及水平收敛的变化规律;提出3种锚杆非对称支护方案并对其支护效果进行分析,得出最优方案。结果表明,不同工况下围岩的变形特征具有一致性,拱顶与仰拱变形较大处的连线与层理面接近于垂直,且拱顶变形呈现左大右小、仰拱变形呈现左小右大的非对称特征;将左侧拱部以上锚杆垂直于层理面布置能较好地控制围岩变形。     

深埋隧道层状岩体破坏过程特征模型试验

针对深埋隧道层状岩体围岩变形破坏的复杂性,以渝沙高速公路共和隧道工程为背景,采用自行研制的弹脆性相似材料构筑层状岩体隧道物理模型,利用应变监测技术和内窥摄影技术,研究了层状岩体在不同荷载作用下围岩应力分布及变形破坏过程特征。结果表明：深部层状岩体受层理结构面的影响,围岩具有明显偏压特征;在沿层理面方向主要受到与其一致的应力挤压从而产生剪切破坏,垂直于层理方向的破坏呈X型裂纹且沿洞壁深部发展;掉落块体呈楔型体,隧道围岩破坏范围呈明显的不均现象;模型试验结果与现场测试结果基本一致,为理论分析深部层状岩体破坏机理提供了可靠的试验结果。     

极高地应力软岩隧道双层支护技术

兰渝铁路两水隧道洞身主要通过炭质千枚岩软岩地层,隧道为极高地应力状态,最大水平主应力值为6.5~11.3 MPa。施工前期,隧道初期支护结构变形较大,部分钢拱架扭曲、断裂,支护结构失稳,初期支护结构侵入衬砌净空,拆换拱情况频繁发生,局部地段二次衬砌开裂。针对前期施工中出现的问题,分别开展双层初期支护和双层衬砌试验,对试验段初期支护变形、围岩压力、接触压力、钢架应力、钢筋应力、混凝土应力等进行现场试验研究,掌握试验段设计及施工参数条件下,隧道支护和衬砌结构受力和变形规律。主要研究结果如下:1)双层初期支护变形相对较小,喷混凝土应力、钢架应力、二次衬砌混凝土应力及二次衬砌钢筋应力均未超过材料的容许应力,工作状态良好;2)双层初期支护可减少绑扎钢筋的工序,不需要再另增衬砌台车,在工序组织上更加便利,工效性相对较高。     

大断面上新统红色泥岩（NCr2）隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征，以银西高铁庆阳隧道为研究对象，通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5~10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性，对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析，并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律，得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明： 1）围岩各项指标属于极硬土-极软岩临界范畴。2）该地层衬砌结构围岩质量较好，水平地应力为垂直地应力的2倍，可优化为Ⅲ-Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3）未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形，可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态；数值模拟结果与现场实测规律相符。4）该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围，变形区域主要集中在拱顶；延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。     

大断面上新统红色泥岩(N_2~(Cr))隧道支护受力特征研究

甘肃庆阳新近纪上新统红层由于特殊的成因,其工程力学特性与南方红黏土有较大差别。为系统研究穿越该地层大断面隧道支护结构的受力特征,以银西高铁庆阳隧道为研究对象,通过现场实测和有限元模拟获得衬砌结构内力、围岩压力、5～10 m围岩深部位移、支护收敛变形的时空分布特性,对现场监测结果体现的衬砌-围岩复合结构受力状态产生的原因进行分析,并利用ABAQUS软件模拟隧道开挖过程以对比验证衬砌结构受力规律,得出该地层隧道地应力、围岩压力、衬砌结构内力特征。研究结果表明:1)围岩各项指标属于极硬土—极软岩临界范畴。2)该地层衬砌结构围岩质量较好,水平地应力为垂直地应力的2倍,可优化为Ⅲ—Ⅳ级围岩进行设计的同时增大侧压力系数。3)未闭合的初期支护不能有效限制围岩变形,可通过设置临时仰拱等措施改善受力状态;数值模拟结果与现场实测规律相符。4)该地层变形剧烈区为洞周开挖界限向围岩内1倍洞径范围,变形区域主要集中在拱顶;延迟开挖仰拱可有效减少仰拱内衬砌结构受力。     

考虑施工步影响的层状围岩隧道力学响应特性研究

为快速、安全地进行层状软弱围岩隧道施工,文中依托彭水县H隧道建立三维有限元计算模型,依次研究施工步与围岩等级、地应力强度、侧压力系数、层间摩阻因素耦合影响下层状围岩隧道支护结构力学响应特性,并分别验证加强型、双层初期支护结构的改良效果.结果表明,与层理呈90°方向拱圈位置处最易产生挤压破坏.S1-1～S1-6施工步下测...     

山岭隧道软弱围岩工程地质特性及施工对策

如何在软弱围岩地质条件下安全快速地修建长大隧道是当前隧道工程界面临的重要课题之一,尤其是当隧道穿越高地应力软弱围岩时,常常形成大变形等地质灾害,严重影响施工安全和进度。通过对软弱围岩工程地质特性、软岩隧道变形机制及变形控制基本理念进行分析,并结合相关工程实例提出软岩隧道支护结构安全稳定性评判标准及施工应采取的相应对策。认为:1)软弱围岩隧道由于支护参数、施工方法选择不当,支护结构强度和刚度不足以抵抗较高的围岩压力时,往往会出现结构大变形和破坏;2)软岩地段初期支护承受施工期间全部荷载,二次衬砌需承受后期围岩流变产生的荷载,软岩隧道衬砌应通过增设钢筋、加大厚度等方式增加结构强度;3)超前支护与加固技术可提高围岩的自承能力并减小作用在支护结构上的荷载,且应当成为当前软弱围岩隧道施工技术研究的发展方向;4)在高地应力山岭隧道方面,应进一步开展施工阶段地应力测试,以利于针对性地选择施工方法和支护参数。     

玄真观隧道高地应力整治段坍塌原因分析及处理措施

玄真观隧道贯通后，由于高地应力的原因导致隧道局部衬砌开裂变形，变形段衬砌需拆换整治。拆换过程中，对围岩的二次扰动，使隧道周边围岩产生较大的松动圈，地应力反复重新分布，局部应力高度集中，应力积聚值大于围岩极限强度时发生隧道坍塌。坍塌治理中，对坍塌影响段采取了方木垛、工字钢架临时支撑及预初支背后预注浆加固，防止坍塌的继续扩大；对坍塌段采取了机械手喷射混凝土封闭岩面、工字钢架护拱、预留孔道回填混凝土、加强初支及衬砌等技术措施，取得了坍塌处理的预期效果。     

大跨度浅埋偏压隧道围岩变形分析

利用有限元数值模拟分析了两组工况下偏压隧道的围岩变形及隧道衬砌受力情况，结果表明:衬砌外荷载主要由上覆岩土体自重以及围岩沿着潜在滑移面产生剪切变形形成，剪切变形对围岩及衬砌受力影响显著。在平行于偏压面岩层与衬砌交界处（浅埋侧拱脚、深埋侧拱肩）的内力明显突变。地表注浆加固在一定程度上改善了围岩物理力学特性，减小偏压引起的剪切变形，有利于围岩稳定及隧道衬砌受力。     

水平泥岩砂岩互层隧道支护体系力学特性试验研究

公路隧道穿越水平泥岩砂岩互层施工过程中支护体系力学特性较为复杂,通过开展大梁峁特长公路隧道水平泥岩砂岩互层段支护体系现场试验,研究水平泥砂岩互层段隧道初期支护中的锚杆轴力、围岩压力,钢架应力、混凝土应力及支护变形,二次衬砌中接触压力和混凝土受力特征。分析表明：拱部锚杆作用明显,边墙锚杆受力较小,建议锚杆由拱部160°减少至拱部120°,同时适当增加拱部锚杆;围岩压力在断面开挖后7d时间内已基本达到最大围岩压力的80％左右,说明在该种岩层中隧道开挖后围岩压力释放较快;水平泥岩砂岩互层关键控制点在拱部位置,边墙部位的支护结构无论从受力还是变形来说均较小;研究成果可为水平层状岩层隧道及类似工程的修建提供参考。     

小相岭隧道围岩力学状态测试及大变形成因分析

为解决小相岭隧道平导和正洞的围岩大变形问题，采用现场试验的方法对围岩力学状态进行测试，基于实测数据对隧道大变形成因进行分析并提出针对性控制治理对策。结果表明： 1）隧道围岩强度偏低且存在明显的各向异性，初始地应力以水平应力为主，属极高地应力；现场实测结果显示底板处围岩损伤范围明显大于边墙处，推断隧道大变形为底隆变形，这与现场结构变形特征相符。2）隧道大变形的主要原因是下伏缓倾层状软弱岩层、高水平地应力、支护结构不对称等因素，尤其是平导底板的不对称结构对抵抗底隆变形能力较弱。3）在采取平导设置仰拱、正洞打设长锚杆、增大预留变形量、提升结构的刚度及强度等措施后，隧道变形得到了有效控制。     

中外高地应力软岩隧道大变形工程技术措施对比分析——以兰渝铁路木寨岭隧道与瑞士圣哥达基线隧道为例

为解决高地应力软岩隧道在施工过程中遇到的难以控制的围岩大变形问题,依托国内兰渝铁路木寨岭隧道与瑞士圣哥达基线隧道,采用对比分析方法,从软岩大变形机制、高地应力软岩隧道围岩分级及变形控制技术3个方面对两隧道进行对比,得出如下结论: 1）高地应力软岩隧道围岩大变形是在岩性、地下水、地应力场、围岩地质构造等多种因素共同作用下,因开挖卸荷、应力二次分布引起围岩发生塑性剪切滑移所致; 2）在高地应力软岩分级方法上,兰渝铁路木寨岭隧道与圣哥达基线隧道均采用了BQ法,但兰渝铁路木寨岭隧道分级更全面,圣哥达基线隧道分级更具针对性; 3）在高地应力软岩情况下,圣哥达基线隧道采用的新意法的全断面施工方法在施工管理和成本控制上要优于兰渝铁路木寨岭隧道采用的台阶法。     

深埋高地应力软岩公路隧道衬砌支护时机研究

为充分发挥围岩的自承能力,隧道初期支护一般采用具有一定变形能力的柔性支护,当围岩的变形达到一定值时再适时地施工二次衬砌,因此二次衬砌的支护时机成为目前隧道界讨论的热点。高地应力软岩隧道开挖过程不仅会产生明显的弹塑性变形,且还会产生明显的流变变形,因此隧道最佳支护时机的确定必须考虑隧道开挖过程时空效应的影响。文中依托宜巴高速峡口隧道实际支护情况,探讨高地应力软岩公路隧道衬砌支护时机。     

高地应力软岩大变形隧道洞型及双层初期支护支护时机研究

为优化高地应力软岩隧道支护结构受力以及控制围岩变形,开展隧道洞型与双层初期支护支护时机研究。首先,通过现场监测数据分析高地应力软岩隧道单、双层初期支护的支护效果及围岩变形规律;然后,采用FLAC3D软件对比分析马蹄形（高跨比0.80）、类圆形（高跨比0.90）、圆形（高跨比1.00）3种洞型下以及第1层初期支护变形达300、350、400 mm时施作第2层初期支护时隧道的受力与变形情况。研究结果表明： 1）对于高地应力Ⅲ级大变形围岩2车道隧道,采用双层初期支护较单层初期支护虽有效控制了围岩变形,但在施工过程中仍出现了拱肩破坏、仰拱开裂等现象; 2）适当增大隧道高跨比可有效降低围岩变形与支护结构受力,高跨比为1.00时效果最好; 3）适当增大第1层初期支护的预留变形量,推迟第2层初期支护的支护时间,支护应力大幅降低,因此,建议第1层初期支护变形达400 mm时施作第2层初期支护。     

高地应力软岩隧道大变形控制关键技术

高地应力环境与低强度围岩的耦合作用,增大了隧道失稳风险。为有效控制高地应力软岩隧道大变形问题,总结丽香、玉磨、成兰铁路近10座高地应力软岩隧道施工实践经验,阐述大变形隧道变形特征和关键控制技术,结合监测数据验证了相关技术的有效性,得出以下结论:1)预留变形量是避免发生大变形后初期支护侵限的重要基础; 2)对于水平构造应力占优势的单线隧道,增大边墙曲率可有效控制隧道边墙收敛; 3)双层初期支护与锚杆共同支护可有效提高初期支护刚度,减小围岩变形; 4)初期支护仰拱快速封闭,控制初期支护仰拱与掌子面距离20 m能够起到有效抑制收敛的作用; 5)合适的二次衬砌施作时机既能有效地控制大变形又能减少二次衬砌的开裂。