高地应力软岩隧道施工动态控制与优化研究

根据兰渝铁路毛羽山隧道出口开挖过程中出现严重大变形的工程实例,利用FLAC3D建立三维数值模型,对不同台阶长度、仰拱闭合时机、锚杆长度以及二次衬砌浇筑时机的隧道施工进行了动态模拟。计算结果表明:台阶长度对大变形控制至关重要,应尽可能减小上台阶长度,采用超短台阶法施工;仰拱对于挤压性围岩隧道大变形控制具有显著的效果,应尽早封闭成环;随着锚杆长度的增加,隧道变形逐渐减小,但是当其长度大于8m时,再增加锚杆长度对控制大变形所起作用不明显;开挖后立即施作二次衬砌,可有效控制围岩蠕变变形。     

软岩大变形条件下围岩变形与围岩压力的关系研究

为获得软岩大变形条件下围岩变形与围岩压力之间的关系,为大变形让压设计提供依据,文章利用FLAC3D数值模拟软件,计算了某单线铁路隧道开挖后在无支护条件下洞周发生不同变形量后施作弹性支护结构的最大压应力,并以此间接反映围岩压力,得到围岩压力随围岩变形的释放关系曲线。将类似工程实例的监测数据与该关系曲线进行对比分析,结果表明:围岩压力随围岩变形的释放关系曲线分为陡降区、调整区和缓降区三部分;软岩大变形可分为收敛型和非收敛型两类,收敛型大变形隧道将可量测的洞周变形控制在15 cm(洞周半径的3%)以内是经济合理的,且施作常规系统锚杆效果最好;非收敛型大变形隧道可量测的洞周变形量超过63 cm(洞周半径的14%)时,围岩压力释放效果才进一步提高;通过大幅的洞周变形来减小围岩压力时,将导致塑性区的大幅增加,此时的系统锚杆作用微乎其微。     

加长锚杆在软岩隧道大变形控制中的应用

文章针对如何控制软岩隧道施工中出现的大变形问题,结合谷竹高速公路寺坪隧道中出现的大变形情况,通过对大变形产生原因的分析和总结提出了采用加长锚杆来控制变形的支护方案;鉴于以往工程实例中系统锚杆的长度都是根据经验确定的,往往存在不合理之处,因而通过现场波速测试并结合理论计算来确定锚杆长度,并出于安全和经济的考虑最终确定锚杆长度为5 m;同时结合现场监控量测和现场试验,对新设计的加长锚杆支护方案和原先所采用的强支护方案进行了对比验证。结果表明,无论从围岩变形、受力以及支护结构的受力形态上看,加长锚杆支护形式都能有效地控制围岩变形,更能充分发挥围岩的自承能力和支护结构的效果。     

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.     

挤压性围岩隧道若干基本问题探讨

文章结合我国铁路隧道建设经验,阐述了挤压性围岩隧道的高地应力条件及挤压性围岩地质特征,提出了挤压性地层围岩级别分类的建议,并针对影响隧道初期支护变形的围岩完整程度、层厚、地质构造及地应力等地质因素进行了深入的分析,探讨了挤压性围岩隧道按相对变形、初期支护的裂损程度、软硬质岩、偏压、断面大小等因素进行分类的方法,并提出了挤压性围岩隧道的设计及大变形的系统治理技术。     

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。     

永临结合的初期支护侵限处理方法

文章结合RAS RMEL隧道工程实例,介绍了国外铁路隧道软弱围岩大变形段初期支护的侵限处理方法.该施工方法是通过加强监控量测,及时发现支护结构变形量的增大情况,并立即进行支护的加强,如复喷混凝土、施作系统锚杆及锁脚锚杆等.当发生塑性变形的区域较大时,先采取在拱部安装临时钢管横撑,并及时施作仰拱封闭的处理措施,控制支护变形；后对待处理区进行加固,并根据设计图纸的要求跳槽开挖梯形槽,施作初期支护,然后再施作防水层；最后,用模板台车施作二次衬砌.实践证明,该永临结合的处理措施较一般处理措施具有施工简单、安全、节约成本等特点,尤其适用于地质条件较差和工期较紧的工程项目.     

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。     

黄土连拱隧道中导洞临时支护的比选分析

黄土连拱隧道采用台阶法开挖时,中导洞的临时支护一般为钢支撑支护和回填土支护。为了选择合理的临时支护,文章结合太佳高速公路清凉寺连拱隧道的工程实例,对两种支护进行全过程弹塑性数值仿真对比分析。结果表明,钢支撑支护与回填土支护对隧道的地表位移、拱顶沉降、锚杆轴力的支护效果相同,均能满足隧道变形要求;对围岩应力、初期支护应力和锚杆轴力等方面的支护效果,钢支撑支护优于回填土支护。     

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。     

兰渝铁路高地应力软岩隧道挤压大变形规律及分级标准研究

软岩隧道在高地应力作用下产生挤压大变形是必然现象。为有效控制挤压大变形,文章结合兰渝铁路软岩隧道工程特性,基于均质地层圆形洞室弹塑性位移解析解和我国现行规范围岩参数,研究了软岩隧道挤压大变形的规律,并提出了大变形分级标准及相应防治措施。在Hoek提出的无支护条件下围岩挤压程度分级标准基础上,以兰渝铁路软岩隧道为工程背景,考虑支护抗力作用,提出了在设计阶段以相对变形和岩体强度应力比为分级指标,将挤压大变形分为三个等级,根据岩体强度应力比进行大变形预测;在施工阶段以变形量和变形速率为分级指标,提出了三级验证标准和变形管理基准以及设计和施工阶段相应防治措施。通过实践验证,隧道大变形得以控制。     

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。     

德格隧道冒顶和冒落破坏特征及处治技术

在川藏公路德格隧道施工中相继出现冒顶和冒落事故。文章利用数值模拟和现场测试对围岩及支护的位移和应力特征进行研究,就同一隧道发生冒顶和冒落的破坏特征和机制进行了深入分析,最后提出了相应的处治措施。研究表明:冒顶破坏以碎屑流变为主,而冒落破坏以碎裂变形为主;冒顶发生时拱顶部碎石土出现塑形变形区,冒落发生时因围岩中形成的竖向与水平方向应力差产生扩容现象;浅埋碎石土围岩自稳能力差,施工扰动引起隧道冒顶破坏发生,而深埋绢云石英片岩裂隙发育,受围岩自重和施工爆破影响诱发隧道冒落破坏。基于以上结论,现场主要采用了限制塑性变形及碎裂变形扩展、施作锚注支护体系、实施"强行"联合支护和加强支护参数等关键措施。     

加锚云母片岩隧道围岩失效特征及力学效应

在深埋云母片岩地层中,隧道的锚杆支护结构常发生失效,进而引发围岩大变形问题,威胁隧道施工安全和结构的可靠度。文章采用现场试验及数值计算相结合的手段,分析了云母片岩地层隧道围岩的应力应变特征和松动圈形态,研究了片岩地层中锚-岩复合体的应力关系和失效特征,可为云母片岩及层状各向异性岩体地层隧道支护方案设计、围岩变形控制及减灾避灾提供参考。     

隧道施工“关门”式灾害及其成因初步分析

文章在对隧道施工"关门"式灾害调查及隧道施工"关门"式灾害与隧道施工地质灾害关系分析的基础上,提出了7种围岩变形失稳塌方致灾构造、6种突泥致灾构造和2种隧道洞内泥石流致灾构造,并对其致灾成因进行了分析。结果表明:围岩变形失稳塌方致灾构造位置的围岩级别未据实修正、初期支护未及时施作或初期支护强度不足,导致围岩变形失稳塌方;自体隔泥土盘或复合隔泥岩土盘的厚度不足、强度过低或突泥致灾构造条件变化等造成隔泥岩土盘被突破,导致突泥和泥石流;隔泥节理裂隙化岩盘沿优势结构面剪裂破坏导致突泥;隧道施工爆破震动导致岩溶中充填的粘土瞬间下坐,隔泥岩盘被突破致使突泥。     

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。     

毛羽山隧道高地应力软岩大变形施工控制技术

兰渝铁路毛羽山隧道出口段穿越薄层状碳质板岩地层,区域原岩应力较大且以水平构造应力为主,隧道开挖过程中出现严重的大变形情况。通过分析,认为高地应力、最大水平主应力与隧道轴线呈大角度相交是大变形的主要因素。隧道施工过程中,通过采取提高支护体系刚度、合理预留变形量,以及采用长锚杆、多重支护和超短台阶法等常规措施控制了围岩变形;基于对围岩动态演化机制的认识,提出了高地应力隧道超前导洞法应力控制释放技术,开展了大型工程试验。阶段性试验成果表明,采用超前导洞有效地降低了正洞施工时的变形速率,对上中台阶影响尤为显著。通过对应力控制释放技术研究的进一步深化,有望探索出安全、高效的高地应力软岩施工新技术。     

高地应力软弱围岩隧道挤压型变形和可让性支护原理

软弱围岩深埋隧道修建遇到的挤压型围岩大变形问题,是山岭隧道工程中的难题。文章在对挤压型变形机制、判识方法和变形特征进行分析的基础上,介绍了挤压型变形围岩支护的可让性原则,从地层特征曲线和支护-围岩相互作用出发,阐述了可让式支护的原理并给出了相关的设计施工要点。     

超大断面隧道在双层初期支护下的拆撑安全性研究

目前多线隧道及超大断面隧道的修建呈发展趋势。但在施作二次衬砌时,临时支撑的拆除将是整个结构受力转换的薄弱点,故保证拆撑过程中的结构安全具有重要意义。鉴于目前国内外关于超大断面隧道双层初期支护下的拆撑安全性分析仍缺乏系统的研究,文章结合实际工程,采用以数值分析为主,现场实测印证为辅的方式,对新考塘隧道拆撑时两层初期支护的内力演变以及各自的安全性进行了分析,初步证明了双层初期支护对于拆撑过程安全性的控制效果。研究结果表明:(1)在支护厚度和纵向一次性拆撑长度保持不变时,拆撑前后的安全系数表现为:双层初期支护下的二次初期支护双层初期支护下的一次初期支护单层初期支护。安全系数的变化幅度表现为:双层初期支护下的一次初期支护单层初期支护双层初期支护下的二次初期支护;(2)在支护形式相同时,随着一次性拆撑长度的增加,其安全系数呈现先增大后减小的趋势。根据各工况计算结果,该工程合理的一次性拆撑长度为9 m左右。     

杆岩耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性主控因素及支护优化研究

由于深埋隧洞围岩显著的流变特点,其变形范围及洞壁位移通常在施作初期支护一段时间后才趋于稳定,因此研究锚杆支护后隧洞围岩变形范围及其洞壁位移量将为支护参数优化及预留开挖量提供重要的理论依据。文章通过建立预应力锚杆与隧洞围岩的相互作用力学模型,分析了杆体与围岩相对位移为零的中性点位置及其最大轴力值。基于锚杆中性点理论,推导了工程扰动、锚杆预应力和孔隙水压耦合作用下隧洞围岩变形范围以及洞壁位移的计算公式。结果表明:多因素耦合作用下隧洞围岩变形范围及洞壁位移随工程扰动和孔隙水压的增大而逐步增加,随锚杆预应力的增大而减小。最后,以秦岭某引水隧洞为工程背景,利用所提出的理论公式计算了该隧洞极不稳定区段围岩变形范围及洞壁位移量,进而对原开挖及支护方案进行了优化。