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。     

兰渝铁路两水隧道高地应力软岩大变形控制技术

兰渝铁路两水隧道地质条件极为复杂,洞身围岩为千枚岩及炭质千枚岩,属极软岩,受高地应力影响,施工时发生了挤压性大变形,变形和破坏极为严重。以现场测试和理论分析为手段,结合隧道变形特征,探索和研究了适合两水隧道的软岩变形控制技术,并得出以下结论:1)软岩隧道的变形特性及稳定性(塑性区)取决于地应力、围岩的力学特性、开挖断面等,且与围岩的支护条件密切相关;2)通过采用加大预留变形量、加大支护刚度、多重支护,优化施工方法、适时施作二次衬砌等手段有效地控制了大变形,较好地解决了两水隧道高地应力软岩施工问题。在此基础上,提出了软岩隧道大变形分级标准及其对应的支护参数。     

软岩隧道超前导洞应力释放力学机制及适用性

为研究软岩隧道超前导洞的适用性，基于经典弹塑性理论，建立深埋软岩隧道超前导洞法开挖应力释放的力学模型，采用2阶段的方法推导考虑超前导洞应力释放的隧道开挖弹塑性解。定义围岩应力释放比来反映应力释放的效果，并研究不同地应力、围岩弹性模量、强度等条件下超前导洞开挖半径对应力释放效果的影响。结果表明： 通过施作超前导洞可以降低作用在支护结构上的围岩压力，尤其是在高地应力环境或围岩较软弱的条件下，采用超前导洞法进行应力释放效果更加明显。但导洞半径并非越大越好，现场试验表明： 对于3车道大断面软岩隧道，导洞断面太大对隧道围岩的稳定不利。隧道施工中，应在保障围岩稳定的前提下进行应力释放，做到初期支护尽早封闭成环，实现隧道安全快速施工。     

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。     

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。     

高地应力软岩隧道施工变形控制方法试验研究

为了研究高地应力软岩隧道施工变形控制方法,以兰渝铁路木寨岭隧道为例,通过对超前导洞法与三台阶法进行现场试验,分析了2种施工方法在高地应力软岩地层的变形控制效果,总结了三台阶法施工各阶段的围岩变形规律,主要结论为： 1）超前导洞法与三台阶法施工,隧道中台阶是变形控制的重点; 2）2种方法对高地应力软岩大变形总体控制效果相近,应结合其施工效率进行比选; 3）隧道开挖后应及早施作仰拱,这对控制隧道变形极为有利。     

兰渝线高地应力区隧道变形机制及分级探讨

为了对高地应力区的隧道设计、施工阶段的围岩分级进行客观评价,提高判定数据的可靠性,以兰渝线高地应力软岩隧道大变形的围岩特征为基础,结合国内其他软岩变形隧道,通过总结以地质因素为主的变形受控条件,探讨软岩变形机制,对高地应力区软岩进行软Ⅰ级～高软Ⅳ级分级,以期为以后的隧道结构设计提供科学准确的依据。     

兰渝线两水隧道大变形原因及机理分析

兰渝线两水隧道洞身经过炭质千枚岩、千枚岩等地层，在开挖施工过程中软弱围岩出现了大变形，其变形形式、特征十分复杂。通过对区域地质构造环境，复杂的高地应力及频繁、强烈的地震、围岩结构等方面的综合分析，研究了围岩大变形的机理，以达到控制变形的目的。结果表明:隧道围岩具有松散型、高地应力型及结构变形型的复合特征；大变形是在强烈的地质构造、复杂高地应力的作用下产生的，且与围岩优势结构面、软弱夹层、地下水等因素密切相关。     

堡镇隧道围岩变形破坏特征及支护措施探讨

针对宜万铁路堡镇隧道存在的软岩地质高地应力问题,结合地质勘察资料和现场监测资料,对堡镇隧道围岩的变形破坏特征进行了深入探讨;并根据该隧道软岩大变形、高地应力的特点,提出了基于预支护技术的衬砌支护措施。工程实践表明：这种综合应用管棚、型钢拱架、锚杆等的预支护措施适合于软岩大变形地段的隧道施工。     

软岩隧道施工方法数值分析

以软岩单线铁路隧道为工程背景,采用三维数值手段对常规台阶法、扩大拱脚台阶法和预留核心土台阶法等典型工法的施工空间效应进行动态模拟。计算结果表明：对于软岩隧道,当采用常规台阶法施工时,加强上台阶围岩支护效果对大变形控制至关重要;在台阶法开挖过程中掌子面挤出变形明显,掌子面的稳定性不容忽视,而预留核心土在控制掌子面变形、确保掌子面稳定方面有明显的作用;扩大拱脚支护形式与标准断面相比更有利于控制隧道收敛变形和塑性区的发展。综合分析结果认为：兰渝铁路软岩单线隧道采用扩大拱脚支护形式结合预留核心土的台阶法更有利于控制变形和确保洞室稳定。     

高地应力软岩大变形隧道关键技术研究

随着我国交通建设的快速发展,山岭隧道建设中高地应力软岩不良地质情况屡屡发生。高地应力软岩隧道变形大、处理风险高、工期时间长,有效预防和控制隧道大变形成为目前隧道建设中亟需解决的问题。对高地应力软岩隧道特点进行总结,揭示高地应力条件下隧道大变形产生机理及影响因素,研究高地应力软岩地质条件下变形控制技术,并在实际工程中得到成功应用。研究结果对高应力软岩条件下隧道施工具有重要指导和借鉴意义。     

高地应力区断层带隧道围岩变形规律及施工优化方案研究

断层带破碎围岩是一种特殊的软岩,在高地应力环境下施工常出现大变形、坍塌等灾害,严重影响施工安全和施工进度.文中以某高地应力区穿越断层带的公路隧道工程为例,对台阶法施工过程进行数值模拟,重点分析了预支护强度、开挖步长及台阶长度3个因素对断层带隧道围岩拱顸、拱腰及拱脚变形的影响规律,结果表明3个因素都存在最优值使得围岩变形更加合理;综合数值模拟结论,提出了一种安全、快速、经济的施工方案.     

双层初期支护在云屯堡隧道高地应力软岩洞段中的应用

为研究隧道双层初期支护中第2层支护的钢拱架设置方式和施作时机,结合成兰铁路云屯堡隧道高地应力软岩隧道工程,对 高地应力软岩大变形隧道双层初期支护中内、外2层钢拱架的布设方式和第2层初期支护的施作时机进行分析和研究。 由研究结 果可知: 1)双层初期支护中钢拱架采取交错的布置方式更有利于初期支护结构受力和围岩变形控制; 2)第2层初期支护应在第1 层初期支护结构不被破坏前及时施作,对于云屯堡隧道来说,第2层初期支护施作滞后掌子面的距离在7 m内较好。     

基于三维数值模拟的软岩超大断面隧道施工技术优化研究

为研究超大断面隧道在软岩地层中开挖施工引起的变形情况,基于铁路设计规范和围岩分级标准对王岗山隧道穿越岩层进行围岩亚分级,通过考虑开挖方向、复杂围岩条件及断层破碎带的影响,利用ABAQUS有限元软件开展三维施工过程模拟,获得三台阶法开挖后的隧道衬砌及围岩受力及变形特征。在此基础上,提出采用更适宜控制变形的双侧壁导坑开挖法,并对其控制效果进行验证。最后,分析影响隧道衬砌和围岩变形的相关因素,得到利于控制变形过大问题的最优进尺设置参数及初期/临时支护形式。数值计算结果表明:1)双侧壁导坑法能够有效降低隧道开挖引起的衬砌及围岩变形;2)锚杆在复杂地层中能够发挥重要作用;3)循环进尺和初期支护强度均对施工引起的变形存在影响,使用新型复合管片临时支护有利于控制隧道衬砌及围岩变形;4)断层破碎带是王岗山隧道施工必须重视的关键部位,除采用合理的开挖工法外,还应辅以其他降低围岩扰动进而控制开挖变形的有效措施。     

新建川藏铁路大渡河特大桥成都岸隧道锚群洞效应分析

针对大渡河桥成都岸隧道锚具有锚洞长、倾角陡、断面大、围岩地质差、碎裂岩发育、群洞效应显著等特点,采用三维数值仿真软件对其施工过程进行模拟,分析其围岩应力、变形及支护结构受力特征,结果表明:1)围岩开挖变形较显著区域主要集中在碎裂岩分布区域,埋深越大围岩变形越大;开挖后,隧道锚锚洞围岩变形量值最大为181.1mm,出现在锚塞体靠近后锚室段部位。2)碎裂岩分布洞段围岩塑性区延伸范围相对较大,深度最大超过7m。3)围岩损伤破坏最严重的区域在临空面附近,特别是碎裂岩分布洞段的边墙和底板部位;其中,以锚塞体和后锚室段损伤程度最为严重,围岩损伤最大深度接近5m。4)大部分支护结构受力在设计要求范围内,局部支护结构的应力值较大,出现屈服现象。     

软岩小净距隧道贯通错距选择研究

软弱围岩小净距隧道在双向开挖贯通时,隧道双幅相隔较近且相互扰动大,容易引起围岩大变形甚至导致贯通段失稳,合理选择左、右幅贯通错距具有相当重要的现实意义。针对云南省某软岩小净距大断面隧道贯通时的贯通错距选择问题,对隧道贯通段进行受力分析和数值分析,分析不同贯通错距下引起的围岩位移和应力的变化情况,经综合对比认为错距在(3～5) D时围岩拱顶沉降和周边收敛值均小于围岩允许的预留变形量,围岩的受力较小,有利于岩体稳定;隧道断面大时取小值,断面小时取大值。选取3D为贯通错距并在实际施工中得到了较好的验证,可为类似软岩小净距隧道贯通错距选择提供参考。     

基于Midas/GTS的隧道变形控制措施和开挖方法研究

为了保证位于我国西北的某高地应力软岩隧道的安全施工,基于有限元软件Midas/GTS对隧道的变形控制措施和开挖方法进行了研究。通过分析掌子面挤出位移、围岩塑性区、支护结构受力以及围岩变形等指标对比了环形开挖预留核心土法和三台阶七步预留核心土法的两种隧道开挖工法。通过围岩塑性区分布、支护结构受力和围岩变形等指标对比分析了不同的喷射混凝土厚度(21、28、35 cm)和掌子面加固范围(90°、127°、180°)。根据研究结果提出最适合本隧道的施工方法:采用三台阶七步预留核心土法进行隧道开挖,喷射混凝土厚度为28 cm,预加固范围为180°。     

煤系地层隧道围岩大变形控制研究

煤系地层软弱破碎,围岩大变形已成为穿煤隧道主要灾害之一。广渝高速某隧道地应力量测结果显示,在隧道穿煤段和龙王洞背斜轴部软弱围岩段,最大水平主应力达20MPa,很可能发生大变形破坏,是工程控制重点。分析得出大变形破坏在力学性质和物理破坏模式上均异于小变形破坏,导致其后期变形量、变形速率均无稳定趋势,且最大变形量出现在垂直于最大主应力方向。产生大变形的原因主要有软弱的岩性、高地应力和过大的开挖断面,在此基础上提出了及时封闭开挖面、分台阶开挖并严控开挖面积、自进式注浆锚杆加强支护和应力导流等控制措施,现场量测结果显示,围岩大变形得到了有效控制。研究成果可为类似工程的支护设计与施工提供参考。     

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。     

监控量测在软岩大变形隧道施工中的应用

由于软岩单轴抗压强度普遍小于15MPa,多以破碎、松散和强风化状态赋存且具有可塑性、遇水膨胀性、流变性等特点,隧道开挖穿越软岩地段时,常伴随围岩变形量过大、支护出现病害等问题,严重制约了隧道结构的安全与稳定。通过监控量测技术对隧道软岩大变形段施工过程中围岩和支护结构受力位移情况进行动态监测与回归分析研究,得出隧道拱顶最大沉降量为257mm,需要提前采取围岩加固措施,在开挖第19d时施作二衬能有效抑制围岩和初支继续变形,且应力应变监测表明二衬是安全稳定的。