不同节理位置及倾角对隧道围岩稳定性的影响分析

文章以黄土含节理地区隧道开挖为例,采用有限元软件Midas建立模型,并考虑不同节理位置和节理倾角两种工况,对隧道围岩变形以及应力变化规律进行了分析。结果表明:(1)考虑不同节理位置时,对于水平位移,节理的存在会略减小靠近节理一侧拱腰的最大水平位移;对于竖向位移,节理的存在使得最大竖向位移向节理处靠近。节理在拱腰、拱肩和拱顶时,其最大竖向位移比无节理时分别大8.8%、10.3%和0.3%,节理在拱肩处应力比拱腰和拱顶时围岩应力分别大3.2%和4.0%。(2)节理倾角为30°、45°、60°和90°时的最大竖向位移值比无节理时分别大23.0%、14.8%、9.3%和7.4%,随着节理倾角的增大,最大竖向位移值逐渐减小;节理倾角为45°、60°和90°时的最大应力比节理倾角为30°时分别小0.4%、1.1%和2.0%,随着节理倾角的增大,最大围岩应力逐渐减小,但整体变化趋势不大。     

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。     

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。     

两组耦合节理工况下隧道变形的数值研究

文章以玉山县高竹山隧道的围岩节理特征为基础,采用离散元软件UDEC建立二维计算模型,通过计算不同工况下的拱顶塌落高度值,研究了两组节理耦合工况下节理倾角、间距对隧道变形的影响。研究结果表明,随节理倾角的增大,塌落高度先增大(0°~30°时)后减小(30°~45°时)最后再增大(45°~90°时),且节理倾角为60°时塌落高度计算值与普氏理论值最为接近;当节理间距在0.2~1.0 m范围内时,随节理间距的增大塌落高度呈非线性减小;当间距接近1.0 m时,塌落高度降幅不明显;当间距不大于0.2 m时,计算值与普氏理论值最为接近。     

断层对小净距隧道稳定性的影响分析

文章针对福州魁岐2号特大断面小净距隧道工程特点,以Ⅴ级围岩为研究对象,利用离散单元法对节理岩体中断层存在时初始围岩应力分布特征以及断层与隧道不同相对位置情况下围岩变形特征进行了定性分析。结果表明,当节理岩体中有断层存在时,初始围岩应力不再呈水平层状分布,而是出现一定程度的应力集中现象;围岩变形在断层附近区域显著增大,而距断层较远处基本不受影响;对于小净距隧道,当中间岩柱中存在断层时更不利于隧道和中间岩柱的整体稳定。     

基于武当群片岩各向异性试验的隧道围岩变形机理分析

针对通省隧道拱顶出现纵向裂缝、拱肩钢拱架被剪断等变形破坏问题,文章考虑武当群片岩各向异性特点,基于波速试验、单轴压缩与三轴压缩试验,结合围岩变形特征调查与数值模拟试验,分析了武当群片岩试样应力-应变曲线特征与破坏形态特征,建立了弹性模量、泊松比、抗压强度随片理倾角从0°~45°~90°变化时的对应关系,提出了隧道围岩破坏模式,总结了隧道围岩变形机理。研究结果表明:武当群片岩各向异性在隧道围岩变形破坏过程中起到了控制性作用;非对称模式为隧道围岩主要破坏模式;当隧道围岩最大剪应力与片理空间关系不利时,围岩沿片理面发生剪切破坏。研究结果对武当群片岩区域在建或拟建地下工程的现场设计、施工开挖具有重要的指导意义。     

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。     

深埋长大隧道层状围岩岩爆特征研究

文章以二郎山深埋长大隧道为工程依托,利用3DEC软件建立层状围岩不同倾角、倾向与层厚的数值模型,计算隧道洞壁各位置的主应力,以此判断隧道施工过程中岩爆发生的位置。结果表明:围岩倾角为0°或层状岩倾向与隧道掘进方向相同时,拱顶位置主应力最大;围岩倾角90°时,两侧边墙易发生岩爆;层状岩倾向与隧道掘进方向相反时,掌子面上半部分主应力最大,为岩爆易发位置;层厚不影响隧道洞周主应力最大值的位置。     

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。     

不同坡度偏压黄土隧道预留变形量的研究

由于黄土独特的物理力学性质以及偏压隧道特殊的不对称受力形式,使得浅埋偏压黄土隧道的预留变形量不同于一般隧道情况。文章以山西省孙家沟隧道为依托工程。通过对现场监测数据进行整理,利用最小二乘法进行回归分析,并使用有限元软件ANsYs进行数值模拟验证,得出了浅埋偏压黄土隧道围岩变形随偏压坡度变化的规律。研究表明,对于偏压坡度为15°~45°的V级围岩浅埋双洞黄土隧道,浅埋侧隧道的预留变形量可取为10-15 cm;而对于深埋侧隧道。当偏压坡度分别约为15°,30°和45°时,可分别预留约20~25 cm,25~30 cm和28~33 cm的变形量。     

浅埋偏压隧道CRD法的合理开挖工序研究

隧道穿越复杂地质条件时,CRD法是较为常用的工法之一。然而,不同地质条件下相适应的开挖工序有所差异。本文针对地形引起的洞口浅埋偏压段,建立精细化三维仿真计算模型,以断面变形与围岩最大主应力为评价指标,分析不同开挖工序下结构的受力变形规律,探讨浅埋偏压地层CRD法的合理开挖工序。研究表明,采取CRD法修建洞口偏压段时,上侧导坑先行方案优于左(右)单侧导坑先行方案。     

浅埋偏压隧道地表沉降规律及其预测方法

隧道地表沉降是围岩稳定性判断的重要依据,也是隧道施工监控量测的重要环节。浅埋偏压隧道地表沉降规律相对于非偏压隧道更为复杂,也更容易诱发安全事故,因此有必要进行深入研究。首先,文章基于最大主应力偏转理论,对偏压隧道偏压程度进行量化分析,提出了隧道偏压系数的概念及其计算方法。其次,建立等效分析计算模型,将浅埋偏压隧道地表沉降视为偏压地形和偏压荷载共同作用的叠加,并给出了分析计算方法和步骤。最后,通过现场实测资料进一步对浅埋偏压隧道地表沉降规律进行分析,并对预测结果进行验证。结果表明:偏压系数与地表偏压角、隧道埋深和地层侧压力系数有关;地表沉降曲线在偏压作用下会发生扭曲,最大沉降区域和影响范围都向深埋侧偏移;当偏压程度较大时,偏压作用易导致深埋侧地表出现开裂,浅埋侧地表出现错台。     

基于离散元强度折减法的大跨隧道稳定性研究

节理面作为岩体中普遍存在的软弱结构面,对隧道围岩的稳定性影响较大,在节理较多的大跨隧道施工中,更容易发生拱顶掉块、塌方、滑移等灾害。基于此,文章依托贵阳市南垭路三号隧道,基于离散元强度折减法,采用3DEC软件对不同节理倾角、间距、组数以及衬砌参数情况下的隧道安全系数进行分析,评价了各因素对隧道稳定性的影响。结果表明:节理倾角越大、分布越密集、节理组数越多,隧道的整体稳定性越差;在单组节理的岩体中,节理倾角是影响隧道稳定性的主要因素;喷混凝土层对隧道的整体稳定性提升显著,10 cm厚喷层即可比裸洞的安全系数提高17.9%,并据此提出了隧道衬砌参数的优化建议。     

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。     

偏压浅埋隧道洞口施工技术

对于偏压浅埋隧道,由于施工工序的复杂性和围岩应力分布不均匀性,增加了该类隧道的施工技术难度.某隧道进口段围岩破碎、节理发育,上部最小覆盖土层厚度为4.5 m,由于采用了进洞口围岩预加固、台阶法预留核心土开挖、洞内围岩超前加固等施工技术,使得工程顺利完成.     

粉煤灰地层大断面连拱隧道围岩变形规律研究

粉煤灰地层具有自稳能力差、结构松散、吸水性强、不均匀等特点,因此在该地层修建大断面隧道施工难度极大.本文以盐坪坝隧道为依托,利用Rhinoceros建模并将模型导入FLAC3D计算,对大断面连拱隧道穿粉煤灰地层掌子面附近围岩变形规律进行研究.研究结果表明:中导洞-左右侧壁预留核心土法和中导洞-左右侧壁台阶法开挖时,竖向位移普遍大于水平位移,水平最大位移出现在右洞拱脚约9 mm处,竖向最大位移出现在右洞拱肩约24 mm处,左洞先开挖产生的偏压作用导致右洞围岩位移明显增大,其中中导洞-左右侧壁台阶法在施作二次衬砌后围岩变形速率更大,因此选择中导洞-左右侧壁预留核心土法更有利于围岩稳定.     

水平、垂直节理发育条件下的隧道稳定性分析

文章依托内蒙古呼和浩特市窑沟隧道工程实例,对典型断面所在区段的节理特征参数进行了采集,得到了实际地层中存在的近水平、垂直发育节理的详细参数;通过综合运用现场监测、室内模型试验、数值模拟手段,分析了隧道开挖后的上覆岩层运动行为与结构受力特征,研究了该类地层中围岩的变形特征与失稳模式,为后续的支护设计及其优化提供了参考。研究结果表明,在窑沟隧道所处的典型地层,即近水平、垂直节理发育工况下:(1)无支护开挖时,地层稳定性极差,塌落区与松动区集中分布于拱顶上方,最大塌落高度为0.48倍洞宽,塌落面积为0.51倍断面面积,拱顶等效荷载为0.084 MPa,松动区延伸至地表,近似呈三角形分布;(2)按设计方案施作初期支护后,地层松动范围明显缩减,高度降为1.1倍洞宽,拱顶最大沉降为7.7 mm,边墙收敛为3.4 mm,结构安全储备足够。     

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。     

节理岩体隧道围岩稳定性判定指标合理性研究

隧道围岩失稳模式和稳定性判据一直是工程界争论的焦点,迄今没有科学合理的标准,常以洞周位移或塑性区经验值作为稳定性判定指标。洞周位移受围岩弹模、隧道形状等因素影响,而且不同部位变形值差异很大,很难找到统一标准;以塑性区作为稳定性判据优于以位移作为判据,围岩塑性化反映连续介质宏观塑性流动力学动态,而不能用于量化判定由优势结构面控制节理岩体破坏的隧道稳定性。文章结合细观节理形态和变化,通过UDEC离散元程序,研究节理岩体隧道失稳模式及量化的稳定性判定指标,探讨了细观结构机制和宏观力学行为关系。结果表明:(1)结构面极大地削弱岩体力学性质及其稳定性,结构面变形与强度性质对于隧道稳定性起着关键控制性作用;(2)节理岩体隧道扰动区可划分为脱落区、张开区和剪切滑移区,其中脱落区表征围岩失稳模式,张开区围岩处于脱落临界状态,即塌方潜在区域;(3)剪切滑移区是诱发围岩发生渐进性破坏主因,提出将剪切滑移区作为节理岩体隧道稳定性判定指标具有严格力学依据,可以定量化评价围岩稳定程度。最后,以在建兰渝铁路木寨岭隧道为例,对比了锚杆支护前后力学效应,验证了以剪切滑移区作为节理岩体隧道稳定性判定指标的可靠性、合理性和现实性。     

浅埋偏压富水隧道地表注浆加固效果分析

为研究破碎软岩隧道在浅埋偏压段地表预注浆后的加固效果,确保施工顺利安全进行,以采用袖阀管注浆的红石河隧道工程为依托,建立三维有限元模型,并通过现场试验、监控量测对比分析注浆的加固效果。结果表明:地表注浆处理后,围岩强度和完整性明显提升,降低了岩体透水性能,增强了地层成拱能力,隧道支护结构的整体受力特征得到极大改善。初期支护最大轴向压力值减少了近20%,最大轴向拉力值仅为原来的43%;初期支护最大正弯矩减少了58%,最大负弯矩减少了29%;隧道拱顶沉降和周边收敛的变化趋势基本相同,前10～15 d内累计变形达到总变形的70%,20～25 d时基本趋于稳定。且数值计算与现场实测结果相一致,注浆效果非常显著。