岩爆预防及防治技术研究

岩爆一般是指在隧道开挖后，发生的一种带有爆裂声响的岩层开裂，岩片或岩块沿一定方向弹射出或坠落下来。在开挖施工阶段，岩爆的预防主要有三种方法，即：理论推算岩爆强度等级法、超前地质预报法和钻孔爆破预卸载法。本文主要以西康线秦岭隧道Ⅱ线平导开挖过程中出现的岩爆现象，按照程度的不同，即：微弱型、中等型、较强型和强裂型，分别提出了不同的防治施工措施。     

高压富水地层超深埋特长隧道施工技术研究

研究目的:我国修建的锦屏隧道全长17.5 km,具有洞身埋深大(2 375 m),断层、褶皱、可溶岩发育,独头掘进无轨运输距离长(9 800 m),施工工期紧(50个月)等特点.迫切需要解决出现高压涌水及跨岩爆地质灾害、威胁隧道施工安全的问题.研究结果:通过流体力学模拟试验,采取择机封堵、超前帷幕注浆、径向封堵灌浆、摸袋和索囊封堵灌浆等技术,有效封堵了高压大流量地下水;通过离散单元法数值模拟试验,采取超前应力解除、控制爆破及水胀式锚杆、挂网、钢筋拱肋、喷超细沸石粉添加剂混凝土等岩爆预防措施,有效防治了岩爆灾害;通过气体力学模拟试验,研究了大功率射流风机及射流巷道式通风技术,解决了独头掘进超长距离的无轨运输施工通风技术难题,创造了独头掘进9 800 m无轨运输的世界记录;通过综合超前地质预报、岩爆与富水段喷射混凝土、特长隧道快速施工及监测等技术的深入研究,提高了超前地质预报的准确率(85%以上)及施工效果.锦屏隧道的成功修建,总结了一套高压富水地层深埋特长隧道综合施工技术及工艺,推进了我国隧道施工技术的发展.     

大型地下洞室多层耦合应力超前解除法施工数值模拟

研究目的：针对海南工程地下厂房洞室施工项目的工期紧、施工通道受限的问题，本文提出了采用多层耦合应力超前解除法施工技术来克服这一难题。 研究方法：由于该施工技术缺乏经验，为了保障施工的顺利进行本文运用大型通用有限元数值分析软件（ANSYS）模拟计算了大断面地下洞室多层耦合应力超前解除的开挖过程，对其进行了非线性数值模拟分析。以确保洞室围岩在开挖过程中处于稳定状态，对薄弱环节进行及时加固，进而做出了该施工方法的可行性评价。 研究结果：通过对监测报告资料与数值分析结果的比较分析，核准了该评价的正确合理性，同时与传统的分层逆做法施工技术对围岩的影响程度进行对比分析，充分证明了多层耦合施工方法的优越性。 研究结论：从理论上证明了应力超前解除法是可行的，在诸多方面毫不逊色于传统的分层逆做法，为地下大型洞室快速施工提供了一种有效的施工方法。     

西康二线秦岭翠华山特长隧道岩爆预测

岩爆是深埋长大隧道开挖过程中一种常见的地质灾害,主要发生在高地应力硬质岩地区.根据翠华山隧道深钻孔的实测地应力数据成果,分析了隧道不同埋深处的地应力分布情况,并确定了隧道区最大主应力方向.最后结合隧道各围岩的工程力学性质,通过两种工程常用的方法对隧道可能发生岩爆的段落进行了综合分析预测.     

高原铁路隧道岩爆施工技术研究

高原铁路隧道岩爆是困扰业界的一大难题，无论是对安全、质量和进度都带来了极大困难。根据以往高铁岩爆施工经验，结合高原铁路低温、低压、低氧的极端环境，高原、硬岩、岩爆的特殊地质要求，从岩爆的发生机理、岩爆分级、岩爆的超前地质预报、岩爆监测入手，合理选择适合高原地区特点的施工机械，与国内先进设备制造厂商进行联合攻关，采用先进的水压光面爆破技术，探索出一套适合高原铁路机械化、信息化、智能化隧道施工生产线，真正实现快速、安全、环保、高效的施工目的。     

川藏铁路某超深埋隧道地应力特征及岩爆分析

研究目的:超深埋折多山隧道是川藏铁路雅康段控制性工程,隧址位于我国西部新构造运动活跃的"Y"字形构造带核心区域,其地应力特征及岩爆预测对铁路选线、设计和施工具有重要意义。本文通过地应力测试数据,数值模拟来分析折多山隧道隧址区及洞身的应力分布特征,明确最大主应力的方向,并利用岩石的单轴加卸、载应力-应变曲线计算其隧道围岩的岩爆倾向指数,分析发生岩爆的岩石力学指标,结合深孔钻探成果、岩石力学试验、水文试验成果来综合分析川藏铁路折多山隧道发生岩爆的强度。研究结论:(1)川藏铁路折多山隧道最大主应力为水平应力,方向为NEE向,实测地应力最大值为17 MPa,数值模拟洞身最大值可达到48 MPa;(2)通过岩爆倾向性指数试验分析可知,围岩具备发生中等~强烈岩爆的储能和释能条件;(3)通过综合分析可知,折多山隧道易发生中等~强烈岩爆;(4)该研究结论可为隧道设计提供依据,也可为邻近区域隧道围岩稳定性判断提供借鉴。     

锦屏引水隧洞岩爆特征及其影响因素分析

以锦屏二级水电站隧洞施工实际情况为背景,对岩爆灾害问题进行研究.通过对隧洞开挖过程中发生的岩爆数据进行统计分析,得出岩爆类型主要有剥落型和爆裂型两种,并具有声响、爆落体和爆裂面等不同特征.总结出钻孔时拱顶出现岩爆几率大、支护后岩爆几率稍小,强烈岩爆多发生在掘进工作面后方10～30 m范围内的岩爆发生规律.提出了岩爆发生的影响因素主要有地质条件、地应力、隧洞断面形状及几何尺寸等内部因素和施工方法、开挖顺序与强度及动力干扰等外部因素.     

秦岭翠华山特长隧道高地应力问题研究

研究目的:关于深埋长大隧道高地应力问题,业界存在许多理论和判据,不同行业、不同项目采用的判据各有不同。究竟如何预判岩爆地质灾害,有效指导安全施工。通过秦岭翠华山特长隧道勘察预判和施工验证,研究隧道高地应力问题及如何预判岩爆灾害。研究结论:秦岭翠华山特长隧道最大水平主应力方向与隧洞轴线方向夹角偏大,发生岩爆是不可避免的;基于地应力参数和岩石参数计算得出洞身开挖时存在岩爆可能性的结论,具有一定的片面性;翠华山隧道施工实践证明,在众多理论和判据中,应该多采用几种判据,综合分析后评价岩爆问题,更能接近于实际。     

深埋长大隧道岩爆倾向性多指标评价

研究目的:高铁北武夷山隧道是一座单洞双线隧道,隧道最大埋深达1 100 m,属于高应力区,开挖过程中可能会出现岩爆现象。通过对隧道高应力地区采集的岩样进行室内岩爆倾向性实验,并结合声发射监测技术,得到岩石单轴抗压强度等性能参数,先采用强度脆性系数法、变形脆性系数法、弹性应变能指标法、切向应力准则四种单指标评价方法进行岩爆倾向性评价,然后运用四指标模糊数学综合评价法进行评价。研究结论:(1)结合声发射监测技术进行岩石力学实验,获得的变形脆性系数、弹性应变能指标系数相比常规实验更加精确;(2)根据岩体性质和围岩的应力情况,在传统综合评价方法基础上增加了变形脆性系数法评判指标,结果表明采用模糊数学综合评价方法得到的评价结果与单指标评价相比,更加符合隧道岩爆的实际情况;(3)本研究成果为隧道岩爆预测提供了可行方法,对于类似工程提前防治岩爆有借鉴意义。     

深埋特长隧道岩爆预测研究

研究目的:苍岭隧道最大埋深近800 m,隧道内围岩完整性好,强度高,在高围压条件下,隧道开挖后将产生岩爆现象,为保障隧道施工安全,准确预测掌子面前方未开挖段的岩爆发生状况,采用理论与实测相结合研究手段,两阶段预报方案对苍岭隧道的岩爆发生状况进行了预测.研究结论:通过两阶段岩爆预测可知,较之施工前岩爆预测情况,在实际条件下,轻微岩爆区长度将减少,中等岩爆区则基本相当,岩爆基本发生在边墙部位;卢森判据的结论更加适合本隧道岩爆的预测,前期研究中获取的隧道区内构造应力场较为准确,采用理论与现场实测的研究手段,结合两阶段岩爆预测模式,准确预测了掌子面前方一定范围内岩爆发生状况,为岩爆预测提供了切实可行的方法.     

高陡边坡桥基安全距离研究

研究目的:高陡边坡桥基位置的确定不仅关系到高边坡的稳定和桥梁的安全,也直接关系到整个桥梁的技术指标和造价。而目前相应的规范及手册中,对高陡边坡桥基位置没有明确的规定。研究方法:荷载作用下高陡边坡岩体力学行为特征是桥基位置确定的基础。利用数值分析方法,分析不同边坡几何状态下荷载对边坡岩体应力的影响。研究结果:根据荷载作用下边坡岩体应力影响范围的变化特征,提出高陡边坡桥基安全距离的确定原则。边坡岩体应力影响范围主要与荷载强度、桥基宽度、边坡坡度以及桥基水平距离等因素有关。根据坡面岩体应力影响系数最大值与各影响因素的关系,再利用岩体质量对应力影响系数进行限定,提出高陡边坡桥基安全距离的确定公式。研究结论:工程实践表明,用本文方法来确定高陡边坡桥基位置是方便的、适用的。     

接触网支柱岩石锚杆基础设计

研究目的：针对岩石区段的接触网支柱基础，利用锚杆将基础与基岩连成整体，形成岩石锚杆基础，降低基础造价，简化施工。 研究方法：依据《建筑地基基础设计规范》，充分利用岩石地基自身水平抗力极大，几乎无压缩变形的特点，直接把上部荷载通过支柱传至基岩上，通过锚杆将支柱与岩层连成整体，构成接触网支柱锚杆基础。 研究结果：提出接触网支柱岩石锚杆基础计算方法，基础构造及施工做法。     

高地应力软弱围岩变形控制方法

研究目的:探讨高地应力软弱围岩大变形的控制方法,并通过具体施工应用,进行现场监控量测试验验证。研究方法:结合乌鞘岭特长隧道最大断层---F7断层高地应力软弱围岩的地质特征及其变形特征,简要分析了支护临界失效点,围岩质量、允许变形量、变形速率和运输方式等与工序间距离的关系,具体从地质超前预报、隧道支护结构和施工方法三个方面进行探讨。研究结果:得出了高地应力软弱围岩围岩条件下,隧道施工支护参数与工序间距离确定的基本方法、一些经验参数和施工基本要求,并对施工中应注意的事项提出了建议措施。研究结论:在高地应力软弱围岩条件下进行施工,要根据掌子面围岩变化情况及时适当地调整支护参数和施工方法,才能有效地控制变形。     

复杂条件下超大跨地铁车站施工仿真技术研究

研究目的：研究复杂条件下超大跨浅埋暗挖地铁车站施工时,不同施工工序下开挖引起的地层扰动对地表沉降及拱顶下沉的影响规律。研究方法：以某超大跨浅埋暗挖地铁车站作为工程背景,利用ANSYS有限元软件作为开发平台,以浅埋暗挖隧道开挖支护理论为基础,采用平面应变模式,对双层两柱暗挖结构的三跨连拱隧道开挖支护全过程进行非线性仿真研究。研究结果：仿真计算结果与现场监测数据基本吻合,可以指导该类型隧道施工的地层沉降仿真研究、施工作业及信息化施工。研究结论：地表沉降影响范围约3倍洞径,最大沉降量为20.75 mm,拱顶最大下沉量为29.93 mm;超大跨隧道分部开挖“群洞效应”明显,在“上软下硬”围岩地层中,地层变形控制的关键工序是上部软岩断面的开挖支护,下部断面要减少爆破振动对地层变形的影响;大跨隧道开挖支护中,不同分部开挖引起的沉降量及沉降槽宽度是不同的。     

乌鞘岭隧道千枚岩地层初期支护参数研究

研究目的:针对乌鞘岭隧道深层地段千枚岩地层,隧道开挖过程中,围岩产生大变形的特点,进行初期支护合理性的研究,提出有效的支护措施。研究方法:结合兰武二线乌鞘岭隧道岭脊地段千枚岩地层的设计施工,采用动态设计方法,根据千枚岩不同含量,确定试验段,布置量测断面,通过现场位移量测,分析总结深埋条件下,千枚岩地层变形特点和初期支护设计方法。研究结果:通过对隧道开挖过程中围岩变形和初期支护的研究,提出了千枚岩地层初期支护参数的建议方案,对同类工程的设计施工有一定的借鉴意义。研究结论:对于以千枚岩为主、围岩变形大的地层,采用长锚杆大刚度型刚支架,结合网喷纲纤维混凝土等初期支护措施,是控制围岩产生大变形的有效方法之一。     

贵广线天平山隧道软岩变形分析

研究目的:软岩变形预测及监测是铁路工程地质中一项复杂而又重要的工作,寻求一种有效的预测及监测方法具有重要的意义。研究结论:针对天平山隧道的软岩变形问题,勘察阶段已经有了较为充分的认识,并为此开展了综合勘探,从岩性、构造、地应力等方面对隧道开挖所经受的变形范围及程度进行了详细的分析。从目前开挖情况看,2号斜井及相应正洞穿过下朝塘断裂带变形预测较为合理,而页岩为主夹炭质页岩段的变形预测还有待开挖对比。     

客运专线超大断面隧道不同工法引起地表变形数值分析

研究目的:通过数值分析方法分析客运专线大断面隧道施工工艺、施工方案的可行性。研究方法:为研究同一围岩条件下隧道开挖而引起地表变形的特性及机理,借助于计算机技术和数值模拟计算,主要介绍了台阶法、CD法的施工工艺及施工方案、建模及计算成果等。研究结果:通过对大断面隧道开挖引起地表变形的数值模拟成果的分析,得出了在同一围岩条件下,采用不同的施工方法开挖隧道引起地表变形的特性和机理,在此基础上提出了相关的施工技术措施。研究结论:客运专线大断面隧道施工工艺繁多,各种工艺在具体应用前必须进行数值模拟计算,使整个隧道过程都处于安全可靠控制范围之内。     

内腔封底双壁钢套箱围堰在桥梁基础施工中的应用

研究目的:在河床裸露、岩面坚硬不平整、深水的条件下桥梁承台多采用钢围堰、全封混凝土阻水进行施工,当承台底与河床顶面高差较小不足于采用全封混凝土阻水时承台的施工就非常困难,本文研究上述条件下承台的有效施工方法。研究方法:以宜万铁路宜昌长江大桥11#墩承台施工为例,采用理论研究和工程实践相结合的方法,对该桥11#墩承台施工方案、施工工艺、阻水结构的形式进行研究和力学分析。研究结果:内腔封底双壁钢套箱围堰进行承台施工是一种新方法,在宜昌长江大桥11#墩承台施工中应用取得了很好的效果。研究结论:当承台底与河床顶面高差较小,不足以采用全封混凝土阻水时,采用环向封底的圆环形钢围堰阻水结构施工承台是一种理想的选择。考虑到围堰的安装、下放等问题,采用长方形的内腔封底双壁钢套箱围堰施工承台是一种不错的、较为实际的选择。     

隧道围岩挤压变形预测方法研究

研究目的:围岩挤压变形预测是高地应力地区软弱围岩隧道勘察和设计阶段的一项重要工作。目前常用的临界埋深法和临界应力比值法均有局限性,迫切需要提出更加符合实际的隧道围岩挤压变形预测方法。研究结论:围岩挤压变形预测可采用强度应力比进行,建议采用Hoek-Brown经验强度公式和GSI法对岩体强度进行估算,F中地应力应取垂直于隧道走向的最大地应力。挤压变形破坏大都发生在F≤1的情况下,而剧烈挤压变形一般发生在F≤0.5时,可将0.5和1分别作为不同级别挤压变形的临界预测值。实践表明,采用F值法对围岩挤压变形进行预测是可靠的。     

红层软土地基沉降监测及预测

研究目的:红层软泥岩是一种特殊岩土,具有易崩解、易风化、遇水易软化等特点。在这种特殊地质条件下,修建高等级铁路,必须要解决地基沉降问题。要准确地计算软土地基的沉降,特别是预测工后沉降,满足高速铁路暂行规定,仍是铁路建设中要解决的关键问题。研究方法:采用沉降管对经粉喷桩处理过的红层软土地基进行沉降监测,将得到沉降数据进行分析,分析软土地基沉降规律,通过指数函数进行拟合及预测其最终沉降量。研究结果:结果发现沉降管在红层软土地基的沉降监测得到了很好的应用,其预测结果表明经过粉喷桩处理后的软土地基的沉降满足高速铁路暂行规定。研究结论:证明该沉降管监测方法和预测方法应用在红层软土地基沉降中是合理的。