深埋大断面隧道土石复合地层塌方机制及处置措施评价

针对黄陵—韩城—侯马铁路如意隧道施工通过土石复合地层时隧道围岩塌方事故,分析塌方的影响因素及机制,提出"管棚+小导管注浆"加固围岩以及增大初期支护和二衬的施工参数等处置措施;通过现场监测和三维数值模拟方法评价处置措施的效果。结果表明:复杂地层、围岩软弱、地下水是引发塌方的主要因素;由于土石复合地层和地下水的影响,使隧道拱部产生了较大的附加荷载,导致拱顶岩体鼓起破坏,进一步发展为掌子面拱部大范围的失稳破坏;对塌方地段隧道处置后,实测的拱顶沉降和水平收敛位移分别为26和30mm,拱顶初期支护与围岩之间的压力为128kPa,数值模拟的拱顶沉降从662mm下降到47mm,洞周的塑性区减小到原设计方案的63%,表明采用该处置措施有效地控制了围岩的压力和变形,降低了施工风险;在隧道施工中应注重掌子面的超前加固。     

构造破碎带隧道掌子面稳定性及加固效果分析

在构造破碎带地层中隧道开挖掌子面易失稳。采用有限元软件MIDAS/GTS模拟上下台阶法开挖,研究掌子面失稳机理及需采取的应对措施,并提出8种掌子面加固方案。结合洞内掌子面与拱顶监测数据,研究各加固方案下掌子面挤出位移、拱顶沉降位移及掌子面塑性应变。研究结果表明:构造破碎带掌子面挤出位移过大,地层软弱易进入塑性状态致使掌子面失稳;上台阶掌子面的中下侧为最容易失稳部位;采用原始支护+注浆加固4 m的方案对掌子面注浆加固能降低掌子面挤出位移、拱顶沉降位移及塑性应变,该方案支护效果最佳。     

营盘路湘江隧道断层破碎带段施工掌子面稳定性分析

考虑地下水渗透力作用,采用三维数值模拟的方法对营盘路湘江隧道断层破碎带段施工掌子面的稳定性进行研究,对比分析未注浆加固与注浆加固两种情况掌子面的稳定性。研究结果表明:未注浆加固时,隧道施工掌子面的稳定性不能满足要求;注浆加固后,围岩及掌子面的稳定性得到显著提高,其安全性能够满足要求;注浆加固起到了明显的堵水作用,改善了初支的受力状态,有效地控制了围岩位移,缩小了围岩及掌子面的塑性区范围,其对提高围岩及掌子面稳定性效果显著。     

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。     

近接溶洞条件下隧道施工掌子面变形破坏特征数值分析

以宜万铁路齐岳山隧道工程为背景,以危险地段的岩溶地质条件为基础,应用三维有限元分析方法,在隧道掌子面前方的溶洞规模大于、等于和小于隧道掌子面规模的3种情况下,模拟分析不同岩体厚度、不同岩溶水压力时隧道掌子面的变形破坏规律。研究结果表明:当溶洞直径大于或等于隧道直径时,相同岩溶水压力作用下掌子面变形值相近,当溶洞直径小于隧道直径时,掌子面变形量小;掌子面变形量最大值出现在掌子面中心位置;当掌子面与岩溶洞壁之间的距离大于2.0 m时,掌子面变形量增加并不明显;在溶洞内无水压力条件下,掌子面岩体塑性区范围很小,但随着水压力的增大,塑性区的范围逐步增大。     

砂质新黄土隧道水平旋喷桩超前加固施工技术研究

以蒙华铁路万荣隧道工程为例,采用三维数值计算方法,计算分析水平旋喷桩超前加固在砂质新黄土隧道施工中的可行性,隧道采用全断面开挖最不利工况下,模拟15 m水平旋喷桩进行超前加固,计算结果显示隧道掌子面塑性区长度明显减小,保证了隧道开挖过程掌子面的稳定;针对TY400和ST60两种钻机施作水平旋喷桩技术进行研究,优化确定施工参数及相应加固方案,并指出施工过程中的操作要点,研究提出在砂质新黄土隧道中水平旋喷桩超前加固施工技术。结果表明:隧道开挖时采用15 m水平旋喷桩加固掌子面后,在掌子面及周边形成了承载环,掌子面塑性区范围明显减小,提高了掌子面的整体稳定性,实现了万荣隧道的顺利贯通,水平旋喷桩超前加固技术在砂质新黄土地层加固效果明显,可为今后砂质新黄土地质条件下隧道工程的施工提供经验参考。     

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。     

超前加固和初期支护对浅埋隧道地表沉降控制的贡献率分析

为研究浅埋软岩隧道不同支护方式对地表沉降的影响,以硅藻土地层飞凤山隧道斜井试验段为依托,采用数值模拟和现场监测手段,研究超前加固和初期支护对浅埋硅藻土隧道地表沉降控制的贡献率差异。研究结果表明:初期支护与无支护工况相比,地表测点位移变化为:掌子面前方测点减少31.7%,后方测点减少77.2%,可见初期支护对地表沉降控制贡献显著;超前加固与无支护工况相比,地表测点位移变化为:掌子面前方测点减少55.5%,后方测点几乎无变化,可见超前加固(掌子面约束)对其前方地表沉降控制贡献相对显著,但对其后方沉降控制贡献低;此外值得注意的是掌子面挤出位移减少了80.4%,改善作用明显;同时实施初期支护和超前加固可近似认为是仅初期支护和仅超前加固的叠加结果。研究成果可为依托工程及今后类似浅埋隧道提供参考。     

考虑土体剪胀性的富水盾构隧道掌子面支护反力非线性上限解

考虑土体剪胀性和孔隙水效应,在非线性破坏准则下研究盾构隧道掌子面的稳定性。利用极限分析上限法构建盾构隧道掌子面的对数螺旋曲线破坏机构,根据虚功率原理推导掌子面支护反力的解析解,利用序列规划算法得到了支护反力的最优解。研究结果表明,假定土体服从相关联流动法则,会明显低估支护反力,相对误差可达到29%。不考虑孔隙水效应,会显著低估支护反力,相对误差可达到56%。此外,土体剪胀系数以及孔隙水压力系数对掌子面的破坏范围也有显著影响。建议在计算盾构掘进推力时,应该考虑土体的剪胀性、破坏准则的非线性以及孔隙水效应,否则会造成结果严重偏小而导致掌子面发生坍塌破坏。     

深埋风积沙地层隧道掌子面失稳特征研究

研究目的:风积沙是一种黏聚力低、自稳能力差的土体,给隧道设计和施工带来很大困难。本文研究旨为揭示不同掌子面角度下深埋风积沙地层隧道的掌子面失稳特征,从而反馈设计施工。研究结论:(1)掌子面前方失稳区呈楔形状,再向上扩展形成封闭的灯泡状区域,随着掌子面角度增大,失稳区下部扩大,上部缩小,掌子面稳定性逐渐改良;(2)掌子面角度对于失稳区的纵向、横向尺寸影响不大,失稳区前边界约为掌子面前方1倍洞径处,横向跨度约为2倍洞径;(3)失稳土体中存在压力拱,其顶点位于拱底上方1~2倍洞径间,随着掌子面角度增大,失稳区形成的压力拱顶点在下移,跨度在减小;(4)本文推导了适用于深埋风积沙地层的掌子面支护力计算公式,并提出了相关设计施工建议;(5)本研究成果可应用于深埋风积沙隧道,尤其是台阶法或盾构法开挖的隧道。     

昔格达地层隧道围岩稳定性及系统锚杆功效研究

昔格达地层隧道围岩水敏感性强,遇水易泥化,易造成围岩大变形、支护结构破坏和掌子面塌方等灾害。冉家湾隧道穿越昔格达地层,本文采用强度折减法对该隧道围岩稳定性进行数值模拟分析。结果表明:当含水率在20%以下时隧道具有一定的自稳能力,当含水率超过20%时隧道开挖需要采取超前支护措施;埋深小于45 m时埋深对昔格达地层隧道围岩稳定性影响显著,埋深大于45 m时,隧道围岩稳定性对埋深的敏感性降低;喷射混凝土对隧道安全系数的提升率大于设置系统锚杆;对于昔格达地层在天然含水率下,浅埋隧道破坏从拱部开始延伸至边墙,深埋隧道破坏从边墙开始蔓延至拱部。     

全风化花岗岩富水地层超大断面隧道设计技术

研究目的:在艰险困难山区,受铁路车站设置和联络线出岔影响,会出现多线车站隧道和变断面隧道,甚至形成超大断面隧道。当隧道位于软弱浅埋富水地层时,隧道建设存在以下安全风险:地形地质条件差,地下水发育,易坍塌破坏;初期支护受力大,变形控制难度大,存在变形侵限、失稳及塌方风险;隧道需采取多次开挖支护,受力转换困难,支撑拆换安全风险大。鉴于国内外软弱富水地层超大断面隧道实例不多、研究较少,本文结合实际工程,对此问题进行研究。研究结论:论文总结了国内外超大断面隧道修建技术现状,对隧道施工过程中的力学行为进行了分析,制定了隧道的超前支护措施、衬砌支护参数和施工方法,并得出如下主要结论:(1)软弱富水地层超大断面隧道修建难度大,安全风险高,造价高,需结合隧道工程的具体条件制定切实可行的支护措施和施工方法;(2)为控制软弱富水地层超大断面隧道初期支护变形和初期支护措施转换,采用大墙脚基础和多重支护措施是必要的;(3)为控制软弱富水地层变形,超大断面隧道变形及坍塌,应采取强有力的超前加固及掌子面加固措施;(4)该研究成果可为软弱地层超大断面隧道设计、施工提供借鉴。     

卸荷对隧道掌子面渐进失稳坍方影响

通过应力释放模拟卸荷的大小,结合强度折减有限元法分析卸荷对掌子面稳定性、坍方破坏形态与应力路径的影响,并同极限分析的结果作对比。研究结果表明:随着卸荷量增大,掌子面安全系数整体非线性降低,前期降低梯度较后期大,应重视早支护对稳定掌子面围岩的作用。低卸荷量下,掌子面前方无塑性区;随着卸荷的提高,塑性区首先发生在掌子面中心偏下方的小部分范围,并进一步扩展;塑性区形状类似于半个椭球体。掌子面呈现鼓出状态,其中心部位存在一个低应变区;随着卸荷量的增大,掌子面位移增大,并向地表逐渐扩展;掌子面最大位移所在位置逐渐向掌子面中下方转移,此部位是位移控制的重点。地表沉陷范围集中在掌子面上方对应的地表,隧道中线位置最大,向四周逐渐减小。平均应力随着应力释放的增大而减小;偏应力存在极值,呈现先增大后减小。数值模拟和极限分析的结果基本一致,差异与隧道断面形状及破坏模式有关。     

隧道掌子面锚杆加固参数确定方法

依托新意法的基本概念,提出锚杆加固密度、加固长度、加固范围的确定方法;基于摩尔库伦屈服准则对两种超前措施的力学原理进行解释,提出两种措施的适用条件;采取理论分析和数值模拟相结合的方法,根据掌子面上土体的约束力和锚杆锚固力的平衡以及单根锚杆的局部锚固力确定锚杆的加固密度,根据掌子面失稳机理与破裂面的深度确定锚杆的加固长度。最后通过不稳定状态下隧道掌子面的稳定过程,阐述核心土保护措施和核心土加固措施的适用条件。研究结果对隧道施工支护参数的确定具有一定参考价值。     

浅埋暗挖黄土地铁隧道施工地层空间变位分析

研究目的:为了解浅埋暗挖黄土地铁隧道施工地层空间变位规律,本文结合西安地铁二号线依托工程,构建三维数值计算模型,对黄土地区浅埋暗挖地铁隧道施工的地表、地层纵、横向变形规律进行系统研究,以期提高黄土地区地铁区间隧道的修筑水平。研究结论:(1)双洞开挖的空间效应与开挖洞径和相对位置有直接关系,后开挖洞室掌子面距先行洞室测试断面两倍洞径左右时开始产生影响,开挖洞室到先行洞室测试面断面时,影响最大;(2)浅埋暗挖法施工中地表地层沉降基本经历缓慢变化、急剧变化及逐渐平稳三个阶段;(3)施工对地层的影响与埋置深度近成反比关系,随地层深度逐渐增加,施工对另一侧地层的影响则逐渐减弱;(4)沉降速率与距离监测断面成反比关系,随掌子面向监测断面的靠近而不断增大,而后随着掌子面远离监测断面而不断减小,呈漏斗形,最大值在掌子面过后的2~4 m的范围;(5)横向的地表沉降曲线呈宽底漏斗状,地层沉降曲线变为标准W形;(6)本文研究成果可为西安地铁修建中的地上地下重点文物和古今建筑的保护提供技术支持。     

富水软弱地层隧道复合加固机理及参数研究

水平旋喷技术因具备加固地层和止水的双重功能,成为富水软弱地层隧道预支护的较好选择,然而,受地质条件、材料特性及施工工艺限制,预支护体本身存在着不可避免的缺陷,若与掌子面加固复合应用可较好克服缺陷,针对两者复合机理进行分析,同时依托具体工程进行参数讨论。研究结果表明:水平旋喷桩径及刚度增至一定量时,对地表沉降控制效果不再明显;掌子面加固对掌子面挤出变形控制也有一个较优范围,超过该范围控制效果不明显。说明水平旋喷预支护与掌子面加固不能一味强调加固范围及刚度,应根据具体工程选择最佳值。     

浅埋隧道塌方机理上限分析

对浅埋圆形隧道的塌方机制的预测是一项极为复杂的工作。基于Hoek-Brown破坏准则下,运用极限分析原理,对浅埋圆形隧道的破坏机制进行分析。在考虑支护力和孔隙水压力的前提下,对岩体内部进行能量耗散计算分析。推导出塌落面目标方程的参数表达形式。代入不同的参数值,绘制出具体的塌落面形状。分析讨论各参数对潜在的塌落形式的影响。研究结果表明：孔隙水压力系数ru 和参数B增大,塌方范围减小;参数A和σt 增大,塌方范围增大。     

高寒特长隧道高应力富水环境下的结构技术研究

由于位于富水断层破碎带的山岭隧道地层岩性复杂、围岩破碎,地下水补给源充分,在施工中严重影响了隧道围岩的稳定性,极易发生高压突水等地质灾害。本文结合大坂山隧道富水断层破碎带的施工,通过使用FLAC3D有限差分数值模拟软件中的流固耦合模块,研究了该类高寒特长大隧道在高应力富水环境下的结构安全技术,分析了在断层破碎带区域施工过程中的渗流规律以及掌子面稳定性的流固耦合机理,并对隧道开挖过程中产生涌水灾害时掌子面前方水压、掌子面变形和掌子面塑性化规律进行了研究。在对比分析不同开挖方法的基础上,提出了合理的开挖方法和支护措施(采用小导管预注浆加固结合H175型钢进行支撑),有效地控制了围岩的变形,很大程度保证掌子面稳定。     

城市地铁穿越富水软弱地层施工技术

介绍南京地铁汉～上区间隧道穿越浅埋暗挖富水软弱地层段的施工方法及采取的施工控制措施。施工中采取的超前全断面注浆，配合管棚、超前小导管注浆施工措施，有效地封闭了掌子面开挖过程中的地下水，超前加固了开挖面土体，并解决了地下水对隧道开挖施工的影响。     

软弱围岩隧道掌子面极限支护压力研究

针对软弱围岩隧道掌子面所需支护力,基于极限平衡理论,建立了掌子面稳定性分析模型,采用水平条分法推导了掌子面极限支护力计算公式,依托计划进行全断面开挖试验的宝兰客专洪亮营黄土隧道,求解了试验段浅埋情况下所需的掌子面支护力,并与数值模型计算结果进行了对比,最后,采用离心模型试验验证了理论分析及数值计算结果。研究结果表明:掌子面所需支护力随着土体黏聚力、内摩擦角的增大近似呈线性和非线性减小关系,随着隧道埋深的增大先增加后趋于稳定,覆跨比1是明显分界点;同时理论分析计算得到的最小支护力较数值计算结果偏小,根据离心模型试验和数值计算结果得出,理论公式计算结果的1.5倍可作为软弱围岩隧道掌子面最小支护力。