极高地应力层状围岩隧道偏压演化规律及围岩控制

以大峡谷隧道缓倾层状围岩为工程背景,采用3DEC离散元分析方法并结合现场监测的手段,深入研究高地应力不同岩层倾角下围岩偏压演化规律,揭示偏压与现场支护结构破坏关系,根据锚杆支护参数对偏压控制的影响,提出支护最优参数。研究表明,在高地应力缓倾岩层条件下支护结构的变形及破坏呈现明显的非对称性,随着岩层倾角的增大,初期支护最大主应力峰值位置由拱顶向右拱肩转移,反倾侧弯曲变形大于顺倾侧滑动变形;随着锚杆长度的增加,围岩剪切滑移区、初期支护位移、初期支护最大主应力均逐渐减小,锚杆最优长度约为3.5～4.5 m,锚杆沿层理面垂直方向打设,初期支护结构的偏压现象得到明显改善;现场优化支护后,左右拱肩呈对称变形,位移量基本相同,偏压得到明显改善。     

超大断面隧道大倾角层状围岩力学特性研究

文章以重庆轨道交通环线莲花村车站隧道工程为依托,采用有限元数值模拟对超大断面隧道开挖时大倾角层状围岩的力学特性进行研究。通过建立大倾角岩层数值模型,对隧道进行不同工况的分步开挖计算,分析得到大倾角层状围岩的塑性区、应力和位移变化规律。结果表明:大倾角层状岩体塑性区位于层面内,层面塑性变形最大;围岩最大拉应力发生在上部中导洞围岩开挖支护过程中,上部左导洞以及中导洞外壁围岩产生最大拉应力;最大压应力发生在上部中导洞开挖支护过程中,大倾角岩层上部右导洞以及中部右导洞在各工况中产生最大压应力;隧道中、下部右导洞水平位移在二衬施加后达到最大,围岩最大下沉量位于上部左导洞处。     

软弱隧道围岩锚杆支护效应的落门试验研究

在软弱围岩中进行隧道开挖,往往因岩体变形过分或局部应力集中而导致围岩失稳破坏,在实际工程中大多采用锚杆作早期支护。文章以Ⅳ级软弱围岩为参照对象,利用相似模型试验进行了锚杆支护条件下的隧道施工过程模拟,对开挖过程中围岩的渐进破坏特征、破坏模式以及锚杆的支护效应进行了研究。试验结果表明,隧道开挖将会在隧道周边形成一应力扰动区,而真正塌落成拱的只是该扰动区的一部分;由于有锚杆的支承作用,拱顶岩体的破坏呈分区破坏模式;岩体的破坏范围主要集中在隧道两侧与水平面成45°+φ/2的扇形区域内;在隧道开挖后,拱顶上方岩体的切向应力升高形成承载压力拱,主要位于距拱顶约1.0~1.25B处(B为隧道跨度)。     

岩溶、节理发育地段隧道进洞三维数值模拟分析

文章以崇水高速陇禁隧道为工程背景,综合考虑节理、岩溶等不良地质因素,采用有限元软件FLAC3D建立三维数值模型,分析隧道进洞施工过程中围岩的受力特性及变形情况。结果表明:模型计算结果与现场实测数据吻合,采用FLAC3D有限元软件建模具有一定的可靠性;隧道穿越节理、岩溶地段,隧道拱顶围岩沉降变形达8.8mm,拱脚出现应力集中现象,且整个开挖面塑性区面积较大;喷锚初期支护可有效抑制隧道围岩竖向位移,考虑岩体蠕变特性,建议施工过程应及时施作初期支护。     

采用三台阶工法开挖的原位扩建隧道现场监测及分析

为研究三台阶法施工对原位扩建隧道结构及邻近既有隧道扰动的影响规律,文章依托福建厦蓉高速公路后祠隧道原位扩建工程,分别对隧道围岩及支护结构应力、松动圈及应力场和邻近既有隧道爆破振动进行了现场监测。结果表明,断面各部位围岩及支护结构应力随时间推移而缓慢增加,最终趋于平稳,且每级台阶开挖均会对其产生扰动,表现为应力的突增;扩建后隧道围岩松动圈拱顶位于6~9 m深处,左右边墙均位于0~6 m深处,拱顶沉降位移大于两帮收敛位移。左边墙围岩应力大于右边墙围岩应力,洞周3 m深处围岩应力小于6 m深处围岩应力,开挖造成的围岩塑性区为3 m左右;施工中实际爆破振速大多小于设防标准,爆破对既有隧道的支护结构体系未造成重大破坏,最大爆破振速出现在监测断面前10 m左右的位置,与掌子面相比振速增长2.9%~4.5%,且围岩质量越好,峰值振速越大,最大峰值振速断面前方振速衰减速度远远小于后方振速衰减速度。     

散体围岩隧道开挖中超前小导管注浆的作用

散体围岩隧道开挖后,围岩稳定性差,易出现大变形沉降、掌子面挤出、拱顶坍塌等危害,必须进行超前支护。以吉怀高速公路杜夜隧道进口浅埋强风化岩层段为例,对超前小导管注浆在散体破碎围岩开挖中的加固机理进行探讨,采用FLAC~(3D)三维数值模拟方法,结合遍布节理模型描述岩层结构的特点对小导管注浆施做过程中的受力、位移变形及支护效果进行研究,定量分析超前小导管注浆的加固机理。研究表明:对于散体破碎围岩,采用遍布节理模型可同时考虑岩块和节理属性,更符合岩体状态和工程实际;超前小导管注浆技术能改善围岩的力学性质,提高岩体的刚度及强度,增强散体围岩自稳能力,显著抑制散体破碎围岩的变形,减少隧道支护结构的变形和受力,避免散体围岩隧道开挖中坍塌现象的发生。     

富水大断面黄土隧道开挖流固耦合效应分析

兰州市轨道交通1号线东岗站后配线区间大断面隧道洞身黄土层含水率达到28.5%左右,饱和度达95%以上,施工中会诱发初期支护沉降变形过大、围岩长时间难于稳定等复杂问题。文章根据室内土工试验数据,建立三维有限元模型,基于流固耦合和不耦合效应,分析对比了富水大断面黄土隧道采用CRD法和双侧壁导坑法施工时的初期支护受力和变形特征、地表沉降及孔隙水压力场分布特征。结果表明:在该地层条件下,考虑流固耦合作用较不考虑流固耦合作用,地表沉降、初期支护竖向和水平位移无论是增长速率还是最终值都要大,后期无明显减小,且更接近现场实测值,但两者作用下的初期支护受力变化不大;基于流固耦合效应,采用CRD六部法在地表沉降和隧道变形控制效果方面更加有利,两种工法初期支护受力数值近似,但分布形式不同;流固耦合作用下,地下水水力梯度较大的地方主要位于隧道边墙和仰拱,施工时易发生渗漏,同时应做好拱部喷混凝土密实和回填注浆等,防止渗流场发生转移。     

护拱回填暗挖法隧道支护结构安全性评价

文章依托九景衢铁路荆生坞隧道工程,介绍了护拱回填暗挖法的施工步序,利用弹性理论推导了护拱与初期支护拱部的围岩荷载分担比例计算公式,采用极限平衡理论建立了边墙处围岩受力模型,推导了初期支护边墙附加围岩压力计算公式,最后通过建立荷载-结构模型,计算了护拱和初期支护的内力、安全系数,评价了护拱和初期支护安全性。结果表明:初期支护围岩荷载分担比例与护拱和初期支护的弹性模量、厚度有关,荆生坞隧道初期支护围岩荷载分担系数约为30%;护拱拱脚竖向压力导致边墙上部围岩沿破裂面滑动,对初期支护边墙上部产生一个水平向的附加围岩压力;九景衢铁路荆生坞隧道护拱回填暗挖段护拱和初期支护均处于安全状态,初期支护安全性随围岩荷载分担系数的增大而略有降低。     

对形变压力的认识——隧道围岩挤压性变形问题探讨

在高地应力背景下,隧道开挖造成岩体应力大幅度变化,软弱围岩松弛阶段的变形将达到很大的量级,这就是挤压性大变形的本质所在。国际隧协曾归纳总结的隧道结构设计模型中的"收敛-约束"模型可以十分贴切地说明支护和围岩在松弛变形发展过程中的相互作用。支护在同围岩共同变形中承受的荷载有别于隧道设计规范中规定的由离散岩体重量产生的"离散压力",可以称为"形变压力"。囿于对离散压力荷载的认识,很难找到处治挤压性大变形的合理途径。文章从形变压力的特性出发,对挤压性围岩隧道工程中的若干问题进行探讨,着重论述通过围岩变形的适度释放来缓解形变压力的处治理念以及与之相应的可让型支护和岩体锚固技术。     

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。     

鹧鸪山隧道二次衬砌开裂机理及支护时机探讨

隧道二次衬砌开裂成因复杂,只有分清隧道二次衬砌开裂原因,才能对其提出合理的处治对策,以保证隧道施工、运营安全。文章以某高速公路(炭质)千枚岩隧道为例,基于隧道出口段二次衬砌开裂特征,结合现场监控量测以及工程地质条件,分析该隧道二次衬砌开裂主要原因是围岩地质条件差、围岩级别低且二次衬砌施作过早。然后进一步采用数值计算分析不同二次衬砌施作时机下的应力特征,结果表明:二次衬砌施作过早导致边墙和拱腰附近二次衬砌内侧产生较大的拉应力,且二次衬砌施作越早,拉应力越大,这将导致二次衬砌张拉开裂;在初期支护变形量为隧道最终变形收敛值的65%~70%之后施作二次衬砌较适宜。建议在类似隧道施工中加强监控量测,严格控制二次衬砌支护时机。     

基于FLAC3D的层面产状对软岩隧道变形的影响研究

为研究层面产状对软岩隧道变形的影响,文章依托某层状软岩地层的高速公路隧道实际工程,通过FLAC3D软件进行建模与计算,分析不同岩层产状下对围岩变形与应力的变化规律,得到如下结论:(1)围岩变形的主方向随层面产状的变化存在不同程度偏转,随层面倾角增大逐渐从以竖向变形为主过渡到以水平变形为主,围岩的变形方向垂直于层面时变形值最大;(2)随着与洞壁距离的增大,围岩的径向应力逐渐增大,切向应力先增大后减小,切向应力较大的区域围岩出现塑性区,且由于洞壁附近围岩的切向应力远大于围岩的径向应力,存在较大的压力差,导致洞壁附近的围岩发生塑性变形,甚至产生剪切破坏。     

破碎围岩大跨公路隧道结构健康度评价方法研究

目前关于大跨隧道结构在松动荷载作用下的受力变形与损伤演化机理研究相对较少,缺乏运营期隧道结构的健康度评价体系与预警标准,不利于掌握隧道结构的安全状态。针对上述问题,文章通过建立二维及三维数值分析模型,研究了Ⅳ级、Ⅴ级围岩下大跨隧道结构在松动荷载下的受力变形特性,并依据变形及破损特征,建立了5级评价体系与3级预警标准。研究结论为:(1)拱部松动荷载作用下大跨隧道的破坏过程分为四个阶段,分别为设计荷载下的弹性受力阶段、拱部松动荷载下的弹性受力阶段、结构开裂后的塑性工作阶段及加速变形破坏阶段;(2)设计荷载下,采用荷载规范计算方法与三维数值模拟方法得出的隧道变形基本一致,验证了数值计算的可行性。通过数值计算,得出Ⅳ级围岩下结构极限承载力为734 kPa,拱顶沉降6.75 cm,边墙收敛1.56 cm。Ⅴ级围岩下结构极限承载力为812 kPa,拱顶沉降10.47 cm,边墙收敛4.06 cm;(3)以拱顶开裂、局部压屈、拱顶拱腰压屈、拱腰压屈达到衬砌厚度的1/3、钢筋拉断为关键节点,以结构受力、拱顶沉降、边墙收敛为评价指标,建立了Ⅳ级、Ⅴ级围岩下大跨隧道的健康度评价体系及预警标准。     

平行褶皱构造对隧道围岩变形的影响研究

岩层受力弯曲变形形成褶皱构造,隧道穿越褶皱地质构造时,在复杂地质构造及地应力条件影响下,隧道围岩容易发生变形破坏,影响隧道的稳定性。针对隧道在平行于褶皱轴线穿越平行褶皱构造地质时的围岩变形问题,文章采用有限差分法并结合实际工程中褶皱构造的隧道围岩进行了数值模拟计算,探究了隧道围岩的变形规律,提出了控制围岩变形的思路。结果表明,隧道在平行于褶皱轴线穿越平行褶皱构造时,拱顶及仰拱部分更容易发生变形破坏,且主要集中在软弱岩层部分及软硬岩层分界面处,具体为向斜类型的软弱岩层上分界面和背斜类型的软弱岩层下分界面处,因此可考虑采用加强拱顶及仰拱围岩的位移控制,加固处理平行褶皱构造中的软弱岩层部分来减小隧道围岩变形的控制思路。     

大跨度隧道Ⅳ级围岩取消仰拱施工实例分析

仰拱是隧道衬砌结构的重要组成部分,能提高隧道结构的承载能力。文章以马鞍山隧道为依托,通过现场对Ⅳ级围岩隧道底板进行应力、围岩变形、初期支护和二次衬砌间的接触受力、底板岩体受到的垂直压力、关键部位的二次衬砌钢筋受力、混凝土内力及锁脚锚杆内力的全断面监测分析,确定取消部分Ⅳ级围岩的仰拱是可行的,并介绍了Ⅳ级围岩隧道取消部分仰拱的实施方法。     

限阻器在高水平地应力隧道支护中的研究与应用

为解决蒙华铁路如意隧道高水平地应力岩层段初期支护因受力过大而破坏的问题,文章通过理论分析、数值模拟以及现场施工反馈等方法,并基于室内试验、地应力测试以及现场监控量测数据,对限阻耗能支护技术的工程应用方法及作用机理进行研究,结果表明:(1)针对高构造应力环境,在保证围岩自承能力不明显降低,且不明显增加松散压力的前提下,可控制地引导围岩变形、围岩能量释放分散转移的限阻高延性支护是合理可行的;(2)限阻器是一种合理有效的限阻高延性支护手段,成功解决了如意隧道高地应力水平岩层中初期支护破坏问题;(3)限阻器显著降低了结构内力,但也改变了结构的内力分布,在应用中还需进一步完善。     

穿风化槽水底隧道施工中围岩变形行为分析

对穿越风化槽和一般岩层的水底隧道分别进行实体建模,应用有限元程序对其施工全过程进行弹塑性数值模拟,得出施工过程中两种工况下目标断面地表、拱顶、仰拱、边墙和目标掌子面处围岩的变形行为及位移分布规律。结果表明,地表沉降主要发生在上台阶的开挖过程中;地质条件越差,目标断面之前的岩体开挖产生的地表沉降占总沉降量的比重越大,更应注意加强超前预支护;地层隆起显著区域集中在距洞壁4 m范围内;水平位移则集中在距洞壁6～8 m的范围内;目标断面最大Z向位移点位于掌子面中心下方。     

多心圆拱隧道支护结构内力反演分析的理论研究

在施工环境下对多心圆拱隧道支护结构的内力分布特征进行研究,是保证隧道施工安全的关键措施之一。文章采用弹性地基曲梁理论,基于初参数法和现场围岩量测压力,从理论上推导了多心圆拱隧道支护结构内力计算的反演表达式,并结合集呼高速旗下营隧道某断面围岩压力的实测数据,反演了隧道衬砌结构的内力分布情况,对衬砌结构的薄弱部位进行了安全性评价。结果表明,隧道BG弧段衬砌结构弯矩和剪力较大,在施工过程中应加强该部位的现场监测工作;隧道拱顶部位混凝土可能出现弯拉造成的开裂现象,应注意加强观测。     

高速铁路黄土隧道初期支护受力特性研究

支护结构的合理设计是大断面黄土隧道设计的关键环节。文章结合在建铁路黄土隧道,采用数值模拟,分析了大断面黄土隧道在不同初期支护时机情况下,支护结构、围岩受力状态和力学行为变化情况;基于控制围岩变形为核心,对大断面黄土隧道施工中初期支护施作时机的选择给出了合理的建议;根据现场监测结果,总结出了黄土隧道初期支护受力规律。黄土具有明显的流变特性,支护结构受力很大一部分承受围岩流变产生的附加荷载;另外,支护结构受力在空间上分布并不均匀对称,这些在设计中都应加以考虑。     

拱盖法隧道围岩稳定性模型试验研究

文章利用大尺寸模型试验,研究了拱盖法隧道开挖过程中地表的发展模式和围岩受力情况。结果表明:隧道开挖过程中地表沉降先后经历了缓慢沉降、快速沉降和缓慢沉降三个阶段,其中中导洞开挖、竖向支撑拆除是沉降快速发展的阶段,拱部二次衬砌完成后开挖下部围岩对地表变形贡献不大;在掌子面推进过程中,监测断面各部位围岩荷载的释放过程具有较大差异性,拱部围岩荷载相比于拱脚和边墙释放更快,且幅度更大;拱部围岩中导洞开挖和临时支撑拆除会导致已稳定的围岩压力二次释放;由于支护的及时跟进,围岩自承能力得以发挥,围岩径向收敛变形得到较好的控制;拱部围岩中导洞开挖和临时支撑拆除会导致已稳定的围岩压力二次释放,建议工程中应将拱顶沉降作为拱盖法围岩稳定判别的主要依据。