绿泥石片岩地层大跨度公路隧道大变形控制及合理支护形式现场试验

为了探索绿泥石片岩地层大跨度公路隧道大变形控制技术及合理支护形式,以陕西省宝(鸡)汉(中)高速公路连城山隧道工程为依托,针对采用单层I22b、双层I22b和双层HK200b钢架的3种初期支护形式,通过对围岩变形和支护结构受力进行现场量测,对比分析了不同初期支护形式的变形控制效果,提出了大跨度公路隧道软岩大变形控制方法和支护体系。研究结果表明:“大预留+双层HK200b钢架分次强支护+大管径长锁脚锚管+深仰拱”联合支护体系能有效控制隧道大变形灾害,避免初期支护变形侵限及频繁拆换拱;该支护体系中第1层初期支护钢架的刚度不宜太弱,以避免因其刚度不足导致的局部失稳和局部拆换问题;试验断面第2层初期支护的接触压力约占第1层初期支护围岩压力的61%,二次衬砌接触压力约占第1层初期支护围岩压力的40%;调整仰拱曲率对于优化结构受力和防治仰拱底鼓作用显著;基于对连城山隧道试验断面围岩压力和径向位移的统计分析,建立了不同支护阶段和不同刚度下的围岩-支护特征曲线,揭示了围岩与支护的相互动态作用机制和“多层分次强支护”大变形控制方法的支护作用机制;结合连城山隧道大变形处置实践,总结提出了“三台阶留核心土法+大预留、多层、分次支护+大管径长锁脚锚管+深仰拱”的大变形控制技术、“不侵限、不换拱、不破坏压密区”的大变形防控理念及“大断面、少分步、快挖快支”的施工原则。研究成果可为类似软岩隧道大变形控制提供重要借鉴。     

考虑岩体蠕变特性的片岩大变形隧道初期支护力学效应

以某隧道V级围岩试验段为工程背景,采用现场测试和数值分析手段,对比支护形式进行基于黏弹塑性的三维变形、受力分析,获取了锚杆、喷射混凝土及钢支撑等初期支护结构的受力特征以及围岩变形规律.分析表明:在云母片岩地层隧道中,大变形主要表现为剪切破坏特征,3种支护形式对围岩的变形都有一定控制作用,但顶部系统锚杆对控制塑性区的影响作用甚微;锚杆及其他初期支护受力最大的区域均位于边墙下部和拱脚位置,提高喷层厚度和钢架刚度能减缓变形速率,但过大的刚度也使得结构内力大大增加.因此,为控制云母片岩隧道过度变形,应增强边墙与锁脚锚杆以提高初期支护成环效应,适当的提高钢架的刚度,必要时提前施作二次衬砌.     

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。     

高地应力软岩隧道围岩大变形NPR锚索控制方法研究

为解决高地应力软岩隧道建设过程中支护结构破坏、围岩大变形等问题,依托地处炭质板岩地层，具有地质构造复杂、断层发育、埋深大、地应力极高等特点的木寨岭特长公路隧道工程，对隧道围岩NPR锚索支护方案进行研究。首先，采用原位试验、现场勘察和室内试验方法，对其地质条件及破坏成因进行分析；然后，利用自主研发的高预紧力恒阻大变形锚索（NPR锚索）材料，设计出一种能够控制公路隧道围岩大变形的NPR锚索综合控制体系；最后，使用该控制体系在现场进行工业性试验，通过对NPR锚索加固区的围岩变形量、钢拱架应力和NPR锚索受力进行实时监测，分析NPR锚索支护方案的围岩控制效果。试验结果表明： 采用NPR锚索“非对称布设和长-短锚索组合搭配”的综合控制体系，能有效控制隧道围岩初期支护大变形难题，最大变形量从2 936 mm控制到240 mm以内，消除了初期支护侵限、开裂等破坏隐患，控制效果显著。     

冰水堆积体隧道注浆圈厚度与初期支护受力特性研究

为解决不良地质软弱围岩造成隧道失稳、软弱围岩注浆参数不确定,以及米林隧道冰水堆积体围岩注浆厚度对支护力安全性造成影响等问题,基于三维有限元FLAC3D模拟软件,建立不同注浆厚度的隧道围岩模型,得到注浆后的围岩特征曲线,通过允许变形量确定了不同注浆厚度对应的允许支护力。基于此,进一步探讨围岩不同注浆厚度下,采用上下台阶法并打设锁脚锚杆对初期支护结构的影响,并计算得到断面每个位置初期支护的安全系数。结果表明： 1）注浆圈厚度越大,基于允许变形的允许支护力越小; 且围岩条件越差,相同注浆厚度对应的允许支护力越大; 故米林隧道冰水堆积体段Ⅳ1、Ⅴ1和Ⅵ级围岩的合理注浆圈厚度建议分别取3.5、3.5、5.0 m。2）随着注浆圈厚度的增大,各级围岩各个位置对应的初期支护安全系数增大。3）初期支护安全系数一般在拱肩、拱顶和拱底较大,在拱腰和拱脚位置最小。     

软岩隧道挤压型大变形非线性流变属性及其锚固整治技术研究

针对隧道高地应力软弱围岩洞室施工开挖变形与围岩失稳以及衬护结构设计问题，阐述开展岩土流变学研究的必要性以及对软岩挤压型大变形非线性流变问题的研究内容和方法，介绍隧道围岩挤压型大变形的定义、变形特征，及国际上隧道围岩挤压大变形的判定。介绍隧道围岩挤压型大变形非线性流变理论、相应的专用设计软件研制及其工程应用，主要介绍有关的研究内容及其创新性方面； 以广义Komamura-Huang流变模型为基础，建立一种能较完整地反映围岩二维、三维大变形非线性流变全过程的Komamura-Huang“弹-线黏弹-非线性大变形黏塑性”流变模型，并在ABAQUS软件基础上进行专用软件的二次开发，将其应用于兰新铁路兰武客运专线乌鞘岭铁路隧道岭脊段围岩5#断层带中，后又应用于甘南木寨岭高速公路隧道和云南滇中红层引水隧洞2处软岩围岩挤压大变形隧道，采用大尺度让压锚杆/预应力长让压锚索进行了整治研究，并分别进行了二维和三维非线性大变形黏弹塑性数值模拟分析。指出有待进一步深化研讨的若干问题。总结针对软岩挤压型大变形沿用现行刚性支护方案的不合理性和失效教训。提出管控/约束隧道围岩大变形持续发展的让压支护锚固技术措施--一种新型大尺度让压锚杆/预应力让压锚索，介绍让压锚具的受力机制及构造，强调其10个关键性设计施工参数。以兰州木寨岭高速公路隧道围岩挤压型大变形非线性流变分析与采用让压锚杆进行工程整治的试验段情况为例，对该隧道围岩挤压大变形进行二维数值模拟，并对施作让压锚杆进行工程整治的主要有关设计参数进行分析计算。“边支边让、大尺度让压锚杆”方法已先后在几处工程中得到了成功实施，取得了应有的经济效益，其工程技术收益应更受业界关注。     

极高地应力软岩隧道贯通段变形控制方案研究——以兰渝铁路木寨岭隧道为例

为了解决极高地应力软岩隧道越岭核心贯通段大变形控制难题,以兰渝铁路木寨岭隧道施工为例,通过现场试验和数据分析,得到如下结论:1)确定了越岭核心贯通段的长度;2)提出了越岭核心贯通段"4层初期支护结构+径向注浆+长锚杆+长锚索"综合变形控制方案;3)得到了贯通段多层初期支护结构变形控制效果;4)说明贯通段施工及变形控制方案可行。     

小孔径预应力锚索合理支护参数研究

为探讨软岩隧道小孔径预应力锚索合理支护参数，以甘肃渭源至武都高速公路木寨岭隧道为依托，在对不同围岩条件进行分类的基础上，通过现场试验研究了小孔径预应力锚索的变形控制效果，并结合现场试验与数值模拟分析结果，建议了不同围岩条件下小孔径预应力锚索的合理支护参数。结果表明：木寨岭隧道围岩可分为以炭质千枚岩为主、以炭质千枚岩和砂质板岩互层为主和以砂质板岩为主3种情况；围岩以炭质千枚岩为主时，隧道变形最大；以炭质千枚岩与砂质板岩互层为主时，隧道变形次之；以砂质板岩为主时，隧道变形最小；现有预应力锚索支护方案适用于以炭质千枚岩和砂质板岩互层为主的围岩，支护参数可维持不变；围岩以炭质千枚岩为主时，锚索锚固效果往往难以达到设计要求，建议采用5 m+12 m长短锚索组合，环向间距取0.8 m,排距取0.6 m,预紧力不宜超过200 kN;围岩以砂质板岩为主时，现有支护方案偏于保守，建议锚索长度全部采用5 m,环向间距取1.2～1.6 m,排距取0.8 m,预紧力可施加至300 kN以上。成果可为类似地层隧道小孔径预应力锚索支护参数选取提供参考。     

预应力锚杆-围岩耦合模型时变效应分析

为了揭示预应力锚杆-围岩耦合时变效应机理,利用分布力模型获取耦合模型的弹性解,结合材料性质和维度效应选用符合锚杆和围岩的流变模型（锚杆选用一维Kelvin模型,围岩选用三维Burgers模型）,求解预应力锚杆-围岩耦合模型在Laplace空间的解析解,通过Laplace逆变化便得到耦合模型的黏弹性解。探究锚杆预应力和流变模型的黏性参数对围岩应力、位移场和锚杆轴力的影响,并基于理论模型和数值模拟软件FLAC^3D的二次开发,开展相应数值模拟,对比分析解析解和数值解,验证解析解的正确性。研究结果表明：解析解与数值解吻合程度良好,在隧道内壁处,锚杆支护力随着时间的增大逐渐减小,且锚杆预应力和围岩的黏性参数与支护效果密切相关,其中围岩的支护效果与锚杆预应力大小呈现明显的正相关关系;围岩的位移变化表现出明显的时间相关性,并且与锚杆预应力大小呈现负相关关系;当锚杆的预应力过大时,围岩位移不再随之显著减小,由此可见,施加于锚杆的预应力不应过大;围岩Burgers模型中第Ⅰ蠕变阶段黏性系数影响锚杆的初期支护效果,而后期支护效果主要受围岩Burgers模型中第Ⅱ蠕变阶段黏性系数影响,并且随着黏性系数的增大锚杆后期支护效果越好;锚杆的流变状态不受围岩黏性系数的影响。     

地下水对深埋软弱围岩隧道初期支护结构破坏及其控制措施研究

针对隧道施工期间砂质板岩、炭质千枚岩及绿泥石片岩等软弱围岩在地下水作用下发生软化、剥落、坍塌,继而引发支护变形侵限、喷射混凝土软化剥落、钢架扭曲失稳等灾害,以木寨岭公路隧道2号为依托工程,通过现场试验、监控量测等手段,分析地下水对深埋软弱围岩隧道初期支护结构失稳及破坏的影响,并提出了在地下水富集区,采用高强预应力锚索支护体系代替传统约束锚杆、环向注浆锚杆以及超前小导管注浆加固围岩的支护方法,降低了混凝土注浆压力及施工难度,避免因锚杆注浆不到位形成渗流通道而影响开挖围岩及初期支护强度,并通过采用高强预应力锚索加固措施,从而提高围岩自承能力及初期支护稳定性。     

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。     

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。     

锁脚锚杆控制隧道初期支护沉降的原理和应用

当前软岩隧道初期支护因沉降变形量大而造成的成本消耗高问题较突出，初期支护底脚作用力与锁脚锚杆抗力不平衡是隧道初期支护沉降的主要原因，其中建立支护底脚与锁脚锚杆之间力的平衡关系是控制隧道初期支护沉降变形的重要前提。以弹性地基梁柱原理和摩擦桩原理来计算分析锁脚锚杆的内力和位移及其与地基的反力关系，以此确定锁脚锚杆的承载能力；通过分析锁脚锚杆对支护结构的柔度，确定其与支护结构的相互影响，进而建立考虑锁脚锚杆对支护结构底脚影响的支护结构力学计算模型，计算其作用于锁脚锚杆端上的作用力作为锁脚锚杆的设计依据；按照上述原理，分析了Ⅴ级围岩当前流行的42锁脚锚管的不足，并示例计算分析了108锁脚锚管的承载能力；最后以Ⅵ级围岩风积砂隧道施工的实例来说明“分布式”加强锁脚锚管以及锁脚锚桩控制支护沉降变形的显著效果验证技术的可行性；结论认为软岩隧道初期支护可按照“荷载—结构”原理确定围岩与支护、支护与锁脚锚杆之间的作用力与反作用力关系，达成支护结构之间力的平衡稳定以实现控制支护沉降的目的。     

浅埋软弱围岩隧道变形特征与施工控制研究——以拱北隧道为例

为研究浅埋软弱围岩隧道变形特征和施工控制措施,以拱北隧道为研究对象,分析隧道所处工程地质条件,并选取桩号D0+100~0+150洞段设置3层6处监测点,获取围岩变形位移数据,利用神经网络法反演获取隧道变形破坏参数与规律;以此为基础,利用ABAQUS有限元软件对比分析了软弱围岩隧道在不同施工方法、开挖方式和支护处理措施下的优缺点,并提出了针对性的解决方案。研究表明:拱北隧道初期支护过程中,拱顶部位沉降可达250~260 mm,拱脚部位变形较硬质岩隧道小,一般为197~200 mm,且仰拱初期支护过程中发生隆起的现象较为频繁;其次,隧道大变形的发生具有明显的时空效应特点,拱北隧道大变形发生部位集中在支护最薄弱位置,从这些部位逐步扩展为大变形破坏;采用分层开挖法,开挖台阶高度为3.5 m时较4.5 m高度台阶其顶拱沉降值缩小10.5%,水平向位移降低约5.2%,优势较大;借助可伸缩式锚杆和钢拱架等柔性和刚性支护措施相结合的方式,有效释放围岩压力,提高了拱北隧道围岩稳定性。对于浅埋软弱围岩隧道施工过程中采用以上施工及处理措施具有一定借鉴和推广价值。     

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。     

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。     

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。     

支护结构对千枚板岩隧道围岩稳定性的影响研究

隧道支护结构对控制围岩变形、保障施工安全至关重要。为研究支护结构参数对围岩稳定性的影响,文中以九绵高速桂溪隧道为依托,使用midas GTS建立隧道模型,针对支护结构参数对千枚板岩隧道围岩稳定性影响进行研究,研究初期支护喷射混凝土厚度、锚杆尺寸、排距和环形间距,以及管棚支护布设范围和注浆厚度等支护参数。结果表明,在一定范围内,增加喷射混凝土厚度、提高锚杆长度、减小锚杆布设排距、减小锚杆环形间距、增大管棚支护施作范围,以及合理选择注浆厚度均能提高隧道围岩稳定性。     

缓倾砂岩夹泥岩隧道岩爆段初期支护变形特征及控制技术研究——以蒙华铁路段家坪隧道为例

针对蒙华铁路段家坪隧道岩爆段初期支护在较小变形下发生破坏现象，通过室内试验、超前地质预报、地应力测试等技术手段，分别揭示洞周围岩强度、掌子面前方地质情况和初始地应力状态，同时对初期支护变形破坏特征进行归纳总结并分析成因，得出： 围岩特性、地质构造特征、工法是影响初期支护变形破坏的重要因素，局部水平向高地应力是主因。采取增强支护参数、增设缓冲层、锚杆+加筋底板、加装阻尼器等技术措施控制初期支护变形破坏。研究结果表明： 1）以水平构造应力为主的高初始地应力条件下，若隧道洞身围岩竖向节理发育，开挖宜首选二台阶法。2）拱部及仰拱初期支护混凝土破坏类型为剪压破坏,格栅钢架主筋破坏类型为偏心受压屈曲。3）以水平构造应力为主的高初始地应力状态下，宜根据围岩特性、支护原理及现场实际选择相应的技术措施。     

直接弹性抗力法及其在隧道初期支护结构计算中的应用

为更加直观地证明隧道初期支护具有单独承载能力的事实,提出直接弹性抗力法原理。直接弹性抗力法以拱(圆曲梁)和弹性地基拱(弹性地基圆曲梁)2段函数分别反映拱部支护结构脱离围岩以及侧壁支护结构压向围岩2段结构的内力及位移,能极大地简化计算过程,较为真实地反映隧道支护结构的应力状态;并结合链杆支座拱、铰支座拱模型,分别模拟实际施工的无分布锚杆影响、有分布锚杆影响但锚杆无切向力、有分布锚杆影响且锚杆有切向力3种支护应力状态,比较全面地概括隧道支护施工可能产生的应力状态,充分证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论事实。强调"先柔后刚,先放后抗"属于概念,初期支护变形的主要原因是地基承载力不足造成沉降,锚杆锚固力和喷射混凝土早期强度等严重影响初期支护单独承载;再根据隧道支护结构各种可能的应力状态,提出对隧道初期支护结构细节设计的改进建议,如锚杆与钢架的连接、钢架之间的连接、钢架底脚的处理、锁脚管桩、型钢钢架与格栅钢架的组合结构等,通过实践证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论。