节理倾角对层状岩体大断面隧道稳定性研究

以山西大梁山隧道工程为研究对象,研究不同节理倾角隧道围岩稳定性以及锚杆力学响应,阐明其不同于传统松散介质理论的层状岩质隧道失稳模式。主要得出如下结论:①节理面是隧道失稳破坏关键所在;②倾角较小时,拱顶容易发生弯折破坏;③锚杆串连数层层状岩体,增大层间摩阻力,增强节理剪切刚度;④宜将锚杆与节理面呈大角度打设,以便发挥"销钉"和"组合梁"效果。     

不同产状岩质隧道稳定性数值模拟

以大梁山特长隧道工程为研究对象,通过研究不同产状岩体隧道围岩力学响应、变形特性,主要得出如下结论:岩体强度和变形特性强烈地受制于节理方位,隧道开挖后岩体沿倾斜层理面剪切滑移,节理倾角不同,隧道破坏形态和部位以及失稳模式亦不相同;由于倾斜节理会导致岩层剪切滑移破坏和地质偏压,从安全和经济出发,非对称支护参数设计显得尤为重要,而现行隧道设计规范均以等长、等间距系统锚杆设计,其合理性值得进一步商榷.     

不同岩层倾角深埋硬岩隧道围岩开挖变形研究

研究目的:深埋硬岩顺层构造由于其分层特性和结构形式的特点决定了在这样的地质环境中开挖隧道,其围岩受力之后的变形和破坏具有一定的特殊性。本文以拟建某高铁黄草隧道为例,就深埋隧道顺层硬岩组合围岩在不同岩层倾角下的开挖损伤变形开展数值模拟分析评价,主要研究不同岩层倾角下的隧道围岩变形、围岩屈服渐进性及稳定性,并给出强度折减至极限状态时硬岩组合隧道围岩的变形破坏模式。研究结论:(1)随着岩层倾角的增大,顺层硬岩组合隧道主变形从岩层弯曲变形逐渐向顺层滑移变形转变,倾角增大至一定程度时( 75°),垂直层面局部位移相对较大,在滑移变形为主的基础上弯曲变形程度加大;(2)硬岩组合的开挖引起洞室周边一定范围内的围岩发生屈服,岩层倾角变化导致围岩屈服区范围大小发生改变,倾角为30°时屈服范围最大,以此为界减小或增大倾角,屈服区均表现为不同程度的减小趋势;(3)岩层倾角存在界限值,硬岩组合黄草隧道为40°,小于或大于该值稳定安全系数均减小,10°～75°区间内稳定安全系数变化幅度最高达17%;(4)强度折减条件下,围岩破坏模式略有变化,表现为:倾角≤30°时,垂直于层面方向的位移量和破坏范围大,围岩以层裂(弯曲折断)破坏模式为主;当倾角 60°时,顺层面方向破裂范围大,但垂直层面破坏优先启动;(5)本研究成果对促进该高铁的顺利建设和今后类似工程的建设有着理论指导意义和工程价值。     

节理倾角及组数对铁路隧道围岩稳定性的影响

我国西南地区崇山峻岭、地质构造条件复杂多变,岩体内部节理、片理、层理发育。隧道穿越节理发育围岩时,极易引发围岩大变形、掌子面失稳坍塌、钢架变形扭曲、初支掉块和二次衬砌开裂等工程灾害。为了分析节理对隧道围岩稳定性的影响规律,依托玉磨铁路西双版纳隧道,利用ABAQUS建立计算分析模型,得到不同节理条件下围岩塑性破坏特征。(1)节理对称分布时,节理屈服、围岩塑性应变呈现出对称分布于拱部、两侧拱肩和仰拱两侧区域的特点。(2)节理倾角较陡时,岩体性质是影响主控因素;节理倾角较平缓时,围岩发生沿节理面的剪切滑移破坏,节理是围岩整体发生塑性破坏的主控因素;当节理倾角为60°或120°时,围岩的塑性应变最大,最大塑性应变为0.197。(3)当节理倾角为90°时,围岩及节理屈服区域主要沿着节理方向垂向分布,且影响范围深入地层中。(4)2组节理条件下造成围岩塑性破坏的主要原因是节理面的塑性屈服;当节理倾角组合为60°+90°时,围岩的塑性应变最大,最大塑性应变为0.521。     

浅埋大跨岩质隧道主动支护作用机制研究与应用

预应力锚杆主动支护技术在隧道工程的应用日益增多,但其对浅埋大跨岩质隧道的适用性及作用机制尚未明确。以青岛地铁暗挖车站为依托工程,开展调研分析、数值计算和模型试验,对比分析预应力锚杆与非预应力锚杆对块状围岩的支护作用,从围岩应力补偿、块体围岩挤压成拱和危险块体控制3个方面研究浅埋大跨岩质隧道主动支护作用机制及理论模型,并进一步开展现场应用。结果表明：原支护方案主要沿用了土质隧道支护理念,对岩质围岩自承能力的认识和利用不充分;锚杆预应力（100 kN）使围岩拉应力区消失、塑性区大幅度减小,并使围岩结构面的法向挤压接触应力提高约0.2～0.3 MPa,有效控制结构面两侧岩体的滑移错动,提升了隧道围岩整体稳定性;建立的主动支护理论模型将传统主动支护应力补偿对象由开挖面聚焦至岩体结构面;主动支护新方案较原支护方案的支护材料减量约30%,工期缩短约17%,隧道沉降量减小约50%。     

小净距隧道下穿薄煤层采空区地层开挖稳定性分析

采空区地层离散性大,小净距隧道近接下穿不同倾角薄煤层采空区开挖将引起采空区内腔塌陷。建立小净距隧道近接下穿采空区地层开挖模型,对比分析采空区倾角为0°、15°、25°、40°时先行洞监测面洞周位移和初支内力。结果表明:后行洞初支闭合时,采空区倾角为15°时,拱顶下沉量最大;采空区倾角为40°时,仰拱隆起量和拱腰水平收敛量最大;随着采空区倾角增大,初期支护正(内)弯矩分布和轴力最大位置有向近接采空区侧移动的趋势,偏压越严重;应力集中逐渐由右拱脚向左拱脚移动。最大偏心距出现在拱脚处,采空区倾角为15°时,偏心距最小,初期支护稳定性最好;倾角为40°时,偏心距最大,不利于初期支护稳定。     

基于遍布节理模型的顺层边坡稳定性影响因素分析

在应力作用下,层状岩体表现出相对于均质各向同性的岩体更为复杂的力学行为,针对该种岩层采用目前广泛使用的各向同性本构模型在受力行为及变形破坏的机理上会造成较大的误差,以成都至兰州高速铁路某隧道洞口段边坡工程为研究背景,采用FLAC~(3D)自带遍布节理模型(ubiquitous-joint模型)描述层状岩体的各向异性特征,对岩体及节理面的稳定性影响参数进行强度折减并分析其与边坡安全系数的关系。结果表明:边坡的整体安全系数F随节理面倾角呈先减小后增大再减小的趋势;岩体与节理面的黏聚力、内摩擦角的相对值大小影响边坡安全系数的变化规律,而与绝对值大小无关,并且均在安全系数最低的30°倾角表现更高的敏感性,层状岩体的剪胀性对边坡安全系数的影响与节理模型的范围和岩体与节理面的内摩擦角相对值有关。     

岩体边坡锚注加固模拟试验研究

通过对层状岩石边坡锚注加固模拟剪切试验的研究,对比分析各种结构节理剪切力—剪切位移全程曲线的特点;阐述节理剪切破坏各个阶段的细观过程及不同节理的抗剪切强度和抗剪切刚度的特征。研究表明:锚注加固节理面抗剪切强度并不等于锚杆和胶结面抗剪切强度之和,其强度同步发挥的程度与锚杆钢筋的取材及钢筋配筋率有关;边坡锚注加固后,节理由原来的摩擦型节理和加锚柔性节理变为锚注刚性节理,由于节理的变形减小,可以有效地控制边坡的位移量;锚注节理的抗剪切强度随锚杆与节理面夹角的增大而减小,两者呈反比关系;当剪切力方向与锚杆倾向相同且在锚杆与锚注节理面夹角从90°到30°的变化过程中,锚注节理的抗剪切强度逐渐增大,表现为节理面的C值和φ值逐渐增大。     

不同倾角层状围岩隧道开挖松动圈的范围与分布

层状围岩隧道在施工扰动下极易出现拱部严重超挖、掉块、离层、弯折、坍塌等工程问题,快速准确地确定围岩松动圈的范围和分布规律,对选择合理的支护设计参数以及消除安全隐患十分重要。以延安安塞经志丹至吴起高速公路大梁峁隧道为工程依托,采用离散元软件UDEC对岩层倾角分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的层状围岩隧道开挖过程进行数值模拟,分析围岩松动圈的范围及分布规律。结果表明:岩层倾角为0°(水平)时,围岩松动圈范围最大,且出现在隧道拱顶处,松动圈范围为1.6～2.6 m;岩层倾角为0°和90°时,围岩松动圈沿隧道轴线对称分布;岩层倾角为30°,45°,60°,75°时,围岩松动圈呈不对称分布,且存在偏压现象。     

岩层走向对层状岩体隧道稳定性影响分析

针对倾斜层状岩体在沿层面方向和垂直于层面方向存在的物理力学特性的差异,分析在层状岩体地质中开挖隧道时的力学特性,并采用flac3d有限差分软件对开挖隧道过程进行数值模拟,得出岩层走向对偏压作用的影响规律。通过模拟和计算验证,隧道开挖后其位移随着岩层走向与隧道轴线的夹角增大而减小,有利于隧道稳定。所以,在层状岩体地质的地下工程建设中,建议设计的隧道轴线与岩层走向夹角不宜太小,一般不小于60°。     

大埋深裂隙岩层中土压平衡盾构下穿水道施工安全性分析

广州—佛山环线沙堤隧道在大埋深裂隙岩层中采用土压平衡盾构法下穿佛山水道,采用FLAC 3D软件建立流固耦合数值模型,分析隧道下穿水道施工安全性。研究结果表明:下穿施工时引起地下水渗流,其中横断面方向影响范围约为隧道洞径的3. 6倍,纵断面方向影响范围约为隧道洞径的2. 4倍;在一定支护压力下开挖面具有一定的自稳能力,支护压力较小时在水压力的作用下开挖面易发生失稳破坏;在大埋深裂隙岩层中采用土压平衡盾构法施工时,应保证土仓的止水能力。     

岩体节理及岩块力学参数对TBM净掘进速率的影响

为研究岩体节理及岩块力学参数对TBM净掘进速率的影响,采用离散元法分析岩体节理倾角和间距对TBM净掘进速率的影响。结合施工现场统计资料,研究岩块力学参数与TBM净掘进速率相对关系。结果表明：(1)当其他条件不变,节理倾角在0°～60°时,TBM净掘进速率随节理倾角增大而加快;而当节理倾角在60°～90°时,TBM净掘进速率随倾角增大而降低。(2)一定范围内,节理面发育程度越高,节理组数越多,TBM净掘进速率越高。(3)TBM净掘进速率随岩石单轴抗压强度和弹性模量增大而减小,随泊松比增大而提高。本文得出一系列有意义的拟合曲线,可为定量分析TBM净掘进速率与岩体节理及岩块力学参数之间关系提供依据。     

吉尔木隧道出口边坡赤平投影稳定性分析

研究目的:赤平投影可通过空间投影关系直观反映不同结构面的空间组合关系,适用岩质边坡稳定性定性评价。块体理论可对不同破坏类型的结构体稳定性进行定量计算。本文将基于吉尔木隧道出口边坡的现场调查,分析该边坡岩体结构类型和基本破坏模式,并利用Barton模型估计岩体结构面强度参数。在此基础上,结合赤平投影理论和块体理论分析该边坡潜在失稳岩体的结构面组合关系,并确定各模式块体的稳定性系数,以期为边坡防护设计提供一定的指导。研究结论:(1)通过Barton模型计算结构面的力学指标表明:在法向应力为2 MPa时,结构面的内聚力C=0. 12 MPa,内摩擦角φ=34°～36°;(2)隧道出口边坡岩体主要破坏模式有倾倒式破坏、楔形体滑动破坏和平面滑动破坏,其中倾倒式破坏主要受直立卸荷裂隙控制;平面滑动破坏主要为沿与坡面近平行的长大卸荷裂隙滑动和沿岩层层面滑动;楔形体破坏主要受到了岩层层面、近直立卸荷裂隙和密集节理面的共同控制;(3)赤平投影分析表明:边坡岩体沿单滑面破坏的块体1和块体2以及沿双滑面交线破坏的块体12是不稳定的,其中块体2的稳定性最差;(4) Barton模型、赤平投影及块体理论相结合的岩质边坡稳定性分析方法具有准确和快捷的优点,该方法在高陡岩质边坡分析中具有良好的应用前景。     

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极限支护力研究

研究目的:曲线盾构隧道掘进施工存在巨大安全隐患,受盾构刀盘超挖、盾壳挤压内壁土体和千斤顶不对称推力等因素的影响,致使开挖面前方变形复杂,开挖面稳定性难以控制。基于筒仓理论,本文提出曲面梯度楔形棱柱体开挖面极限平衡模型,推导曲线盾构隧道开挖面极限支护力理论计算公式;进而以济南地铁R1线王府庄至大杨庄区间段曲线盾构隧道为工程背景,探究不同曲率半径下开挖面的变形分布特征,以期为曲线盾构隧道掘进开挖面稳定性提供科学的理论指导。研究结论:(1)曲线盾构隧道开挖面破坏呈现不对称分布,受开挖面偏心支护压力的影响,开挖面前方土体形成曲面梯度楔形棱柱体平衡模型;(2)随着曲率半径的减小,开挖面位移和极限支护压力先增大后减小,且支护压力非常规的按中心支护力进行计算,而是偏向于曲线外侧,其值大于直线盾构隧道;(3)极限支护压力随开挖面土体黏聚力、内摩擦角增大而增大,随两侧破裂角的差值增大先呈现增大趋势,当β132.3°后减小,最后趋于平缓;(4)本研究成果可为曲线盾构隧道施工开挖面稳定性及其支护提供理论指导和科学依据。     

开挖隧道套拱底部诱发的边坡稳定性分析

以某隧道开挖套拱后致上方局部坡体发生滑移拉裂破坏为研究背景,采用强度折减有限元法建立计算模型,分析在开挖隧道套拱底部时的边坡安全系数,侧坡总位移及有效塑性应变;并在此基础上提出边坡加固方案。数值计算分析表明,套拱上方局部坡体的滑移主要由于上覆土体偏压、土体地下水未及时排除和坡体支护不到位所致,其中土体富水对套拱上方局部坡体滑移起主导作用;通过6种支护工法对比分析,在开挖隧道套拱过程中及时排除地下水、对坡面做好混凝土支护、局部坡体进行注浆及锚杆支护,可有效提高边坡的稳定性。     

隧洞开挖后渗流量影响因素分析

当隧洞穿越高富水地质环境时,在开挖过程中容易产生渗水现象,从而给隧洞的开挖和支护带来不利影响。本文以木里水电工程输水隧洞为例,用离散单元模拟围岩及节理,采用UDEC软件进行数值分析,研究节理倾角、节理间距和洞室埋深对隧洞开挖后渗流量的影响,并对隧洞开挖前后孔隙水压力进行了分析。研究结果表明:在单组平行节理条件下,节理倾角、节理间距和洞室埋深对隧洞开挖后的渗流量都有较大影响;当节理倾角较小时,隧洞洞周渗流受节理倾角的影响不是很明显,当节理倾角超过30°时,洞周渗流量随节理倾角的增加而增加;当节理间距较小时,隧洞洞周渗流量随节理间距的增加呈近似线性增加,当节理间距超过1.5 m时,洞周渗流量基本保持不变;随着洞室埋深的不断增加,隧洞洞周渗流量也增加,当隧洞埋深达到一定值后,洞周渗流量增大的趋势变缓;节理倾角、节理间距及洞室埋深均通过改变开挖前后孔隙水压力差值影响隧洞渗流。     

富水砂层盾构隧道开挖面稳定性及其失稳风险的分析

以位于富水砂层中的深圳地铁11号线某区间隧道工程为例,采用有限差分软件建立富水砂层盾构隧道的三维数值模型,模拟分析4种不同支护压力作用下盾构隧道开挖面的稳定性;在此基础上,提出基于稳定系数的开挖面失稳风险分析方法,用于对富水砂层盾构隧道开挖面失稳风险的分析和评估。结果表明:支护压力越接近前方土体的静止水土压力,则开挖面变形越小,开挖面也越稳定;富水砂层盾构隧道的极限支护压力比约为0.4,高于不考虑孔隙水压力时的隧道极限支护压力比。现场实际工程验证表明,基于稳定系数的盾构隧道开挖面失稳风险分析方法可以快速、有效地确定隧道开挖面失稳的风险等级,可用于快速评估富水砂层中盾构隧道开挖面的失稳风险。     

西(宁)成(都)铁路高地应力节理发育软岩地层隧道支护体系研究

为保证西成铁路高地应力节理发育软岩大变形隧道安全修建,采用现场勘察、室内试验、地应力测试、工程类比、数值模拟等方法展开研究,结果表明,西成铁路与毗邻兰渝线地质条件类似,均以二叠系、三叠系板岩与砂岩为主,层理清晰、节理裂隙发育,地应力以水平主应力为主导,水平主应力在10～30 MPa之间,竖直主应力在4～13 MPa之间,有较强水平构造应力作用,兰渝线控制围岩变形主要采用增加预留变形量、自进式长锚杆、钢花管加固、增加初支及衬砌刚度、钢纤维喷射混凝土等技术措施。在此基础上针对西成铁路节理发育软岩大变形主要发生在垂直节理倾角方向上的特点,提出首先增大矢跨比,然后增大钢拱架刚度,对于Ⅲ级大变形在垂直节理方向设置预应力锚索的非对称大变形隧道支护体系,该支护体系相比传统支护体系能够减小13.8%～21.2%软岩变形,对于控制节理发育软岩变形效果良好。     

顺层岩质边坡开挖变形特征模型试验研究

为了研究顺层岩质边坡的变形破坏特征,预测边坡开挖后的变形趋势,以便于确定边坡开挖和支护参数,在相似原理的基础上,结合贵州织金茶店乡现场实际情况,进行了开挖坡角30°和50°的2组模型试验。试验结果表明:含多层软弱夹层顺层岩质边坡破坏多在边坡中后缘产生拉裂缝,拉裂缝均由上及下、由表及里向坡脚延伸;开挖坡角30°时,边坡破坏集中在4～7 m深处,开挖坡角50°时边坡破坏集中在15～35 m深处。通过对试验数据的拟合分析得到开挖边坡破坏范围的计算公式。