隧道施工塌方事故分析与控制

塌方是隧道施工中最常见的灾害之一,其防治工作一直是隧道建设安全性控制的重点。文章从隧道围岩变形、破坏和失稳的本质特征出发,结合典型事故案例统计,提出了将隧道塌方事故分为围岩失稳、结构失效和环境失调等三种类型;分别对其演化过程和形成机理进行了系统分析,指出了这三类安全事故与围岩活动特点及"支护-围岩"作用模式显著相关,并且分别发生在隧道掌子面及前方、掌子面后方二次衬砌施作前和隧道洞口浅埋段。最后提出应从地质保障工作、细化方案设计以及强化监测和施工管理等方面实行综合治理,才能避免恶性隧道塌方事故的发生,整体提升隧道施工的安全控制水平。     

乌鞘岭特长隧道软弱围岩大变形特性研究

乌鞘岭特长隧道全长20050m,是我国目前正在修建的国内最长的单线铁路隧道.隧道施工中发生了严重的围岩大变形,主要表现为隧道中部岭脊地段F4～F7断层构成的"挤压构造带"在深埋高地应力条件下的软弱围岩大变形,拱顶最大下沉及侧壁最大水平收敛变形量均达1000mm以上,导致初期支护开裂破坏并严重侵入衬砌净空等,不得不将初期支护全部或部分拆除重做,再施作二次衬砌.文章对隧道区域工程地质环境、软弱围岩变形力学特性及初期支护破坏规律、围岩变形的影响因素等进行了分析研究,并讨论了隧道围岩加固、初期支护预留变形量与二次衬砌施作时机等问题.     

红粘土与砂岩夹泥岩接触带隧道合理施工工法研究

针对红粘土与砂岩夹泥岩接触带围岩上软下硬、自稳能力差的特点,文章通过现场调研和分析,明确了隧道施工原则,并结合现场实际采用数值模拟计算方法优化了施工工法和支护参数,现场应用效果表明:在红粘土与砂岩夹泥岩接触带地层中施工,岩性分界面位置对隧道变形及结构应力影响明显,随着红粘土在隧道开挖断面的占比增大,隧道洞周位移及初期支护应力显著增大;采取调整台阶高度、取消预留核心土等措施优化施工工法后,最大变形值未超出允许值,初期支护最大压应力未达到材料破坏强度,围岩应力集中减弱,满足安全施工的要求;掘进速度明显提升,避免了岩性分界面位置处围岩易掉块、坍塌等问题。     

隧道施工突水致灾构造及其分类

隧道施工期突水具有普遍性、突发性和灾害严重性等特点,为隧道工程界所广泛关注。文章基于以往隧道施工突水灾害与引发突水灾害的不良地质体之间的关系,总结提出了包括充水(泥水混合充填)岩溶、未胶结富水压性断层强烈挤压破碎带、未胶结富水张性断层、地下向斜蓄水构造、富水顺层错动(节理密集发育岩体)破碎带和充水废弃矿巷等6种可能导致隧道施工突水灾害发生的突水致灾构造;根据突水致灾构造构成、可能的隔水岩土盘类型和工程处理措施适宜性,提出了突水致灾构造分类的三项原则,将突水致灾构造划分成完全充水体构造和裂隙空隙/孔隙含水体构造,并提出了相应工程处理措施。     

推覆构造区变质片岩隧道塌方、涌水特征及地质成因分析

隧道塌方、涌水往往发生在地质条件差的地段,有必要从地质角度研究该类灾害发生机制。文章以十房高速(十堰—房县)通省隧道塌方、涌水为例,分析了灾害发生过程,归纳总结了其典型的围岩大变形—塌方—涌水—突泥四阶段特征。在此基础上,结合隧道地质条件分析、隧洞内及地表地质调查、TRT探测等,从工程地质和水文地质角度探讨了隧道塌方、涌水灾害机理,认为主要有四个方面的原因:(1)隧道穿越压性断层破碎带,断层破碎带由含水破碎岩块及粘土构成,直接导致隧道开挖后塌方、涌水、突泥的发生;(2)推覆构造导致围岩呈层状-碎裂结构;(3)片岩中粘土矿物含量较高,遇水易泥化;(4)断层破碎带中含有承压地下水。最后,提出了加强超前地质预报及地质分析等风险规避建议,研究结果可为同类工程提供借鉴。     

深长隧道突水致灾构造及其突水模式研究

突水灾害是深长隧道施工最严重的地质灾害之一,而突水灾害的发生与隧道施工开挖工作面接近前方存在的含水体或隧道开挖临空面外存在的含水体密切相关。文章在分析了国内外深长隧道突水灾害产生原因的基础之上,系统地提出了深长隧道五种突水致灾构造及其致灾模型,即未胶结的富水压性断层上盘强烈破碎带、未胶结的富水张性断层带、未胶结的富水顺层错动(节理密集发育)破碎带、充水岩溶、地下向斜储水构造含水体及其突水模式,剖析了五种突水致灾构造突水灾害。     

基于圆形薄板力学模型的隧道隔水岩墙弯曲破坏涌水机制分析

隧道施工突水灾害严重威胁着隧道施工的安全。隧道施工掌子面前方存在突水致灾构造时,留足一定厚度的隔水岩盘——最小安全隔水岩盘,对确保突水致灾构造中水不至突出以及加固隔水岩盘和处理突水致灾构造至关重要。文章以沪蓉高速公路垫邻段明月山隧道K5+398处突水事件为例,基于隧道断面形式和隔水岩层为近直立泥岩层实际情况,将掌子面隔水岩墙简化为圆形薄板,以弹性力学薄板理论为基础,通过隔水岩墙受力分析,推导出临界隔水岩墙(盘)厚度——最小安全隔水岩盘厚度计算公式,并计算得出明月山隧道K5+398处突水位置最小安全隔水岩盘厚度。通过数值模拟分析验证,明月山隧道K5+398处掌子面隔水岩墙临界厚度为1.4~1.55 m,与实际涌突水情况总体吻合。     

白山隧道塌方处治技术及其监测结果分析

白山左线隧道施工中,针对塌方发展过程和塌方机理,实施了一套基于"地表排水、围岩注浆、衬砌增强、基底防降"的塌方综合治理方案。文章分析了方案实施后的地表沉降、拱顶下沉、拱腰和边墙水平收敛的位移变化规律,以及初期支护背后水压力、初期支护与围岩的接触应力、锚杆轴力、型钢拱架应力及二次衬砌混凝土应力的发展趋势。结果表明:在软弱围岩地段,拱墙二次衬砌的施作显著改善了初期支护与围岩的接触应力,有效地减小了地表沉降及隧洞周边位移;同时,拱墙二次衬砌能有效地分担锚杆和型钢拱架的的部分荷载,改善仰拱二次衬砌的受力状况;塌方综合治理方案效果较好,保障了该隧道剩余塌方段的安全施工。     

浅埋膨胀土隧道围岩抗剪强度与支护结构受力特征关系研究

膨胀土吸水后产生的膨胀问题,导致隧道支护结构承受复杂的膨压应力。为研究浅埋膨胀土强度衰减和膨胀效应对隧道支护结构的影响,文章以呈贡隧道工程为背景,首先利用室内直剪试验方法,探明膨胀土的抗剪强度与初始含水量的变化关系;然后基于室内试验结果,采用ABAQUS三维有限元分析模拟软件,研究膨胀土吸水膨胀对隧道支护结构的影响,揭示不同埋深下膨胀土膨胀效应对围岩变形和支护结构内力影响规律。研究结果表明:(1)摩擦角和粘聚力均随含水量的增大而下降,粘聚力受到的影响较大,膨胀土抗剪强度与含水量的关系可采用二次抛物线表征;(2)膨胀土围岩吸水后受到支护结构约束,产生较大的膨胀压力,导致围岩出现破坏,造成隧道仰拱隆起量和边墙水平收敛增大;(3)围岩膨胀后,初期支护结构轴力均匀增加,拱腰处弯矩增加较小,墙脚处弯矩增加较大,使支护结构处于不安全状态;(4)埋深对膨胀变形产生很大的影响,但达到某一极限埋深后将不发生膨胀变形。     

泥岩隧道仰拱长期稳定性分析——以新疆达坂地质区某隧道为例

以新疆达坂地质区某隧道为例，分析泥岩隧道仰拱的长期稳定性。通过基于隧道岩体结构、岩块强度和长期变形监测数据的分析，运用H-B强度准则和BP神经网络算法获取监测隧道岩体的力学和蠕变参数。借助FLAC 3D软件内置的CPOWER模型，建立典型断面的数值模拟模型，以分析泥岩流变效应下不同衬砌支护强度和仰拱曲率半径对隧道仰拱运营期稳定性的影响。结果表明：考虑泥岩流变时，隧道的主要变形是仰拱中心的隆起。初次增大支护强度或减小仰拱曲率半径对改善隧道结构的受力、控制围岩变形以及加快围岩的稳定都产生显著效果；然而，随着支护强度持续增大或仰拱曲率半径持续减小，这种控制效果逐渐减弱。当将支护强度从I16工字钢逐渐增大到双层拱架时，仰拱中心的隆起量仍然有11.14 mm；而将仰拱曲率半径从16 m减小到14 m时，仰拱中心的隆起量从33.7 mm减小到3.37 mm，最终的位移满足隧道后期运营的要求。减小仰拱曲率半径比增大支护强度更能有效地从根本上控制仰拱中心的隆起，同时使围岩和支护结构的受力更加均匀；在施工阶段适当减小仰拱曲率半径后，隧道已处于相对平衡状态，流变效应对隧道的应力状态影响不大。     

大断面软岩铁路隧道贯通控制要点

隧道贯通前后施工中涉及到贯通误差的预计及调整,以及合理的施工方案、科学的施工组织等问题;另外隧道贯通段受力结构复杂,尤其是软弱围岩,经常在贯通后出现围岩收敛过大、初期支护变形开裂等现象,若处理不当,容易造成塌方.文章结合兰渝铁路第I合同段隧道群的施工,介绍了隧道贯通前后的施工控制要点.     

影响软岩隧道台阶法施工安全的关键因素

文章通过兰渝线铁路隧道台阶法现场施工方式及出现变形的观察与思考,分析造成掌子面滑塌、掌子面后方围岩及初期支护变形、甚至出现“关 门”塌方的原因,找出在台阶法施工时引起此类变形所涉及的地质、施工等方面的关键因素,阐述了台阶高度、长度与地质条件及开挖进尺与台阶高度、隧道超前支护参数的关系.针对隧道台阶法施工出现的变形类型,明确相应预防之对策,确保施工安全.     

雁门关隧道挤压性围岩变形控制技术

北同蒲取直线雁门关隧道软弱围岩段埋深大,构造应力水平高,给隧道施工变形控制造成了极大困难。文章根据雁门关隧道挤压性围岩的工程特性,对洞室变形控制措施进行了研究。首先通过有限差分法(FLAC3D)数值计算确定了弧形导坑预留核心土三台阶七步开挖法的核心土合理长度;其次根据隧道塑性区范围与形状优化了系统锚杆的长度;而后通过对双层支护力学效应及内层支护施作时机的研究,得出理论上雁门关隧道的内层支护最佳时机为内层支护与外层仰拱同时施作;最后通过数值计算和现场工程实践,形成了"3~4 m核心土长度+超前支护+优化设计的系统锚杆及锁脚锚管+双层支护(H175+I22a)"的雁门关隧道挤压性围岩变形综合控制技术。该技术对在构造应力发育的软岩地区修筑隧道具有一定的借鉴意义。     

兰渝铁路熊洞湾隧道煤矿采空区施工安全控制技术

新建兰渝铁路熊洞湾隧道属极高风险隧道,隧道穿越软弱破碎煤系地层,围岩内富存采空区,主要存在煤窑采空区及瓦斯问题,属典型煤系地层隧道.文章首先针对该隧道穿越采空区施工过程中面临的各种风险(包括采空区施工风险、瓦斯突出风险、突泥与突水风险、围岩大变形风险及塌方风险等)进行了综合分析；进而从施工监理角度有针对性地提出了风险规避措施,包括重大危险源方案审查、综合超前地质预报技术、施工资源控制,以及对施工单位施工过程的管理、行为控制等.     

张集铁路旧堡隧道F3断层带突水突泥处治技术

张集铁路旧堡隧道穿过古老的太古界变质岩地层,地质复杂,围岩软弱,多次发生突水突泥,使支护受到破坏,施工长时间受阻。通过采用"泄水降压、注浆加固、管棚支护、两端夹击"的治理原则和有效的施工方案,使隧道安全顺利贯通。     

隧道洞口滑塌与支护结构破坏特征数值模拟研究

隧道洞口段一般埋深较浅,围岩条件较差,很难稳定成拱,因而在隧道开挖后极容易受到外界扰动作用而发生坍塌变形。尤其在遇水软化的膨胀性黄土地层中建设隧道时,需要考虑降雨作用对隧道稳定性及支护结构变形的影响。本文通过数值模拟方法,结合现场观测以及室内实验,对太原某黄土隧道洞口滑塌及支护破坏特征进行了分析研究。结果表明:该隧道洞口支护结构发生破坏一方面是由于洞口浅层土体本身强度不足,且黄土遇水后强度急剧降低,围岩发生塑性变形,塑性区范围迅速扩展,围岩承载能力急剧降低;另一方面是由于膨胀性黄土遇水膨胀,产生较大膨胀力,使围岩内部应力急剧增加并且作用在支护结构上,从而导致支护结构破坏,引起隧道塌方。     

富水糜棱岩大断面隧道Ⅵ级围岩变形控制技术

改建的成昆铁路秀宁隧道出口段(510 m)通过罗茨-易门大断裂,并下穿龙潭水库,隧道围岩为罕见的富水糜棱岩,围岩级别为VI级;富水糜棱岩开挖后呈流塑状,极易产生涌泥和溜坍,导致初期支护产生大变形。文章基于糜棱岩抗剪强度的水稳性试验研究,针对该段隧道工程提出了采用全断面超前预注浆并辅以大管棚控制围岩变形的支护方法,以及三台阶七步开挖法进行了数值模拟分析。分析结果与围岩变形监测结果均表明,全断面超前注浆可以有效堵水和挤水,实现富水糜棱岩地层的排水固结,提高围岩强度;大管棚超前支护及大拱脚三台阶七步开挖法可以有效控制围岩变形,保证施工安全。     

上坪格隧道塌方原因分析及处治措施研究

针对福建省漳永高速公路上坪格隧道塌方案例,文章在分析其塌方机理的基础上提出了相应的工程处治措施,并采用荷载-结构法对变更后塌方段初期支护和二次衬砌强度进行了验算。分析结果表明:不良地质、较差施工质量和不合理开挖工法是导致隧道塌方的主要原因;在塌方荷载作用下,初期支护和二次衬砌弯矩较大值发生在拱顶、左右拱腰、左右拱脚和仰拱部位,这些部位在施工中应给予足够的重视;初期支护危险截面的最小安全系数为1.93。二次衬砌危险截面的最小安全系数为2.43。均大于国家隧道规范规定值,满足工程安全性要求。     

有限元强度折减法在隧道施工稳定分析与控制中的应用

有限元强度折减法广泛应用于边坡等工程的稳定分析中,而在隧道工程稳定分析中的应用相对较少。文章将有限元强度折减法用于隧道施工稳定分析与控制中,提出基于围岩安全系数进行施工阶段围岩稳定性全过程的动态评价,并通过隧道洞周围岩变形规律的研究,建立施工阶段隧道监控量测的动态控制指标。通过算例分析可以看出,基于围岩安全系数可以定量、直观地掌握整个施工阶段围岩稳定性的动态演化规律;在满足初期支护施作后围岩稳定性要求的前提下,可以针对各个施工阶段建立相应的变形控制指标,从而克服以围岩容许位移作为隧道稳定性判断依据的局限性。通过有限元强度折减法在隧道施工稳定分析与控制中的应用,将为解决隧道施工安全问题提供新的途径。     

龙溪隧道左线试验段围岩大变形成因机制分析

在我国西部山区修建高速公路过程中常选择隧道方案,从而各类特长深埋、复杂地质条件下的隧道工程大量涌现,在施工过程中常出现各种隧道灾害.针对在建的都(江堰)-汶(川)公路龙溪隧道丁程中频繁出现的围岩大变形而导致初期支护侵限现象,基于现场测试资料.采用地质分析法和连续介质力学分析法,准确的获取了左线试验段围岩大变形的主要成因:倾向隧道右侧的软岩地层在高地应力(作用方向近垂直岩层)作用下产生较大变形.