山岭隧道软弱围岩工程地质特性及施工对策

如何在软弱围岩地质条件下安全快速地修建长大隧道是当前隧道工程界面临的重要课题之一,尤其是当隧道穿越高地应力软弱围岩时,常常形成大变形等地质灾害,严重影响施工安全和进度。通过对软弱围岩工程地质特性、软岩隧道变形机制及变形控制基本理念进行分析,并结合相关工程实例提出软岩隧道支护结构安全稳定性评判标准及施工应采取的相应对策。认为:1)软弱围岩隧道由于支护参数、施工方法选择不当,支护结构强度和刚度不足以抵抗较高的围岩压力时,往往会出现结构大变形和破坏;2)软岩地段初期支护承受施工期间全部荷载,二次衬砌需承受后期围岩流变产生的荷载,软岩隧道衬砌应通过增设钢筋、加大厚度等方式增加结构强度;3)超前支护与加固技术可提高围岩的自承能力并减小作用在支护结构上的荷载,且应当成为当前软弱围岩隧道施工技术研究的发展方向;4)在高地应力山岭隧道方面,应进一步开展施工阶段地应力测试,以利于针对性地选择施工方法和支护参数。     

软弱围岩结构面产状对隧道施工的影响分析及处理措施

结合工程实例,通过对软弱围岩隧道施工过程的监控量测数据分析以及数值模拟分析,研究了软弱围岩中结构面产状对隧道施工的不利影响,即使在大倾角的情况下,受软弱围岩岩石抗压强度低、胶结程度差等不利影响,隧道开挖受到地质构造的非对称围岩压力,在隧道拱腰易造成大变形及侵限的危害;结合隧道大变形及侵限的原因分析,对隧道的支护参数、开挖方法、施工工序等制订专项处理措施,对锁脚锚杆的施工工艺进行优化,经工程实践证明,处治效果良好。结合工程实践和分析,对隧道勘察及围岩划分、施工超前地质预报、动态设计及施工注意事项提出建议,对类似地质条件下的隧道勘察设计及施工具有一定借鉴作用。     

软岩偏压隧道开挖支护力学特点分析

以V级软弱围岩杏花村偏压隧道工程为背景,应用有限差分软件FLAC3D对大断面偏压隧道进行施工动态模拟,研究大断面浅埋偏压隧道开挖过程中力学特点,通过与实际监测结果对比分析,结果基本一致。FLAC3D准确模拟了软弱围岩浅埋偏压隧道开挖情况,结果表明,大断面偏压隧道开挖中,偏压侧位移较大;通过围岩应力状态、衬砌结构内力比较,综合分析了大断面偏压隧道开挖力学特点,结合锚杆支护的数值分析,总结了实际工程中支护方案拟定方法及偏压隧道开挖施工注意部位。     

高速公路软岩隧道复合支护机理的FLAC解析

结合软弱围岩隧道工程地质和支护设计特点 ,应用有限差分方法 ( FLAC)模拟研究了软岩隧道受力变形特征和围岩收敛曲线 ,并分析了复合支护结构中一次支护和二次支护结构的作用机理及作用效果。研究结果表明 ,软岩隧道开挖和一次支护后围岩支护压力随拱顶位移增加而连续减小 ,预测的最大位移均发生在隧道拱顶。但是 ,在同样支护压力下 ,考虑软岩流变特征的收敛曲线的拱顶位移要大得多 ,必须及时设置二次支护。另外二次支护结构还将起到承受流变压力的作用     

城市隧道施工过程结构分析研究

以实际隧道工程为研究背景,针对此工程中穿越浅埋地段复杂多变的地质情况:粉质黏土层与软弱破碎V级围岩,采用有限元软件进行结构分析,通过有限元数值模拟分析隧道台阶法动态施工过程。在此基础上,分别对留核心土台阶法的台阶高度与初期喷锚网支护结构作为研究对象,对比不同的上台阶开挖高度、锚杆长度、网喷混凝土厚度情况下围岩的力学特征。根据数值模拟结果及规律,提出该浅埋偏压软弱围岩段隧道的合理的设计支护参数及施工对策。研究结果直接指导该隧道施工过程和支护措施的改进优化与设计控制措施,较好地解决工程实际问题。可为隧道后续设计和施工或类似穿越浅埋软弱围岩等复杂地层条件下隧道施工过程及超前注浆孔的合理布置提供理论支持。     

公路隧道软弱围岩大变形处治对策

公路隧道围岩大变形是工程中常见的工程地质问题,给工程建设带来了极大的困扰。为了研究隧道围岩大变形易造成开挖面失稳坍塌、冒顶、侵界等工程问题,以某隧道在断层破碎带处发生大变形处治过程为案例,系统归纳总结了解决类似软弱围岩大变形的工作流程及处治措施。工作流程包括:原因分析处治措施效果评价;在施工过程中通过发挥信息化施工的作用、适当加大预留变形量、合理设置支护参数、临时补强隧道衬砌、及时变更施工工法、设置超前预支护、增加长锚杆、加强防排水等综合措施,可有效控制公路隧道软弱围岩大变形。     

隧道三台阶带仰拱一次开挖台阶长度研究

为进一步提高软弱围岩条件下隧道开挖的安全性及稳定性,依托玉磨铁路新平隧道工程,利用有限差分数值模拟软件,对软弱围岩铁路隧道三台阶带仰拱一次开挖工法的台阶长度进行优化研究,主要对比了5种不同台阶高度开挖方案的初期支护位移及内力。结果表明:采用工况5(台阶长度6m)的拱顶沉降值、拱肩收敛值、边墙收敛值均最小,分别为3.91mm、0.78mm、4.78mm;工况1(台阶长度4m)的结构安全性最高,最小安全系数最大,为6.17;综合结构位移及内力,新平隧道软弱围岩段建议采用工况4的台阶高度进行施工。     

基于改进Sarma理论的隧道围岩楔形体稳定性计算方法及应用

隧道围岩楔形体是节理面、软弱夹层或断层等结构面经过切割完整岩体形成的岩石块体,是地下洞室中常见的地质灾害之一。为了量化评价隧道围岩楔形体稳定性情况,基于改进的Sarma理论方法,建立了地下隧洞楔形体计算物理模型及力学模型,推导了楔形体稳定性计算的临界加速度系数,提出了楔形体正压力计算方法,并基于结构面参数给出了楔形体稳定系数计算的隐函数表达式。将此方法应用于粗石山隧道围岩楔形体工程,结果表明,该楔形体稳定系数为1.05,处于欠稳定状态,建议通过采用喷钢纤维混凝土、系统长锚杆、设置格栅钢架等措施提高结构的整体支护能力,加强支护后的位移监测数据表明,该段围岩楔形体变形量很小,围岩整体稳定。     

大断裂区深埋特长隧道围岩分级方法研究

隧道围岩分级的准确与否对隧道建设有着重大意义,直接关系到隧道施工的安全与稳定。针对大断裂区深埋特长隧道施工中出现的断层带、褶皱区、高地应力区以及软弱夹层带等不良工程地质问题,对BQ围岩分级方法中的结构面及地应力影响因子进行了修正和细化,同时根据隧道施工中出现的软弱夹层的工程问题,新增加了软弱夹层影响因素K4这一修正指标,并据此修正BQ围岩分级方法计算公式。在此基础上,以郧十高速公路上的大华山隧道作为实例,利用修正后的围岩分级方法对其进行围岩分级,得到了与实际开挖较相符的结果,为相关隧道建设提供了指导依据。     

四官寨隧道围岩与支护结构变形与受力特征现场试验

煤系地层属隧道施工中的不良地质,施工过程中除面临瓦斯燃烧、瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等高风险外,其围岩大变形问题也极为突出。通过对晴兴高速公路工程典型煤系软弱地层隧道—四官寨隧道围岩变形与支护受力进行现场测试,进而在实测数据基础上,系统分析了煤系地层隧道支护结构体系的稳定性,探讨了应对围岩大变形的措施,总结了典型煤系地层软弱围岩及支护结构的受力与变形特点,为今后类似工程提供有益的参考。     

逆断层黏滑错动对跨断层隧道影响机制的模型试验研究

为指导隧道穿越活动断层时的抗错断设计,避免逆断层黏滑错动造成跨断层隧道结构的严重破坏,以棋盘石隧道为工程背 景,通过 1 ∶ 50 相似模型试验,研究逆断层黏滑错动所引起的山岭隧道破坏模式,分析隧道和地层变形过程及破坏特征,得到以下 结论: 1)逆断层错动在断层迹线附近地层形成剪切带,剪切带沿着断层线略微凸向试验装置上盘的弧线方向发展。2)断层错动对 试验装置上盘内隧道变形破坏的影响大于下盘,最大土压力和最大纵向应变主要分布在上盘隧道中; 土压力和纵向应变变化规律 相似,均随错动位移的增加而不断增加。3)隧道最终破坏为逆断层下的剪切破坏,局部伴随张拉破坏,剪切破坏主要表现为变形缝 两侧隧道衬砌脱落和纵向裂缝;断层错动对隧道影响区域主要集中在断层破碎带及附近2D(D 为隧道洞径)区域,尤其是试验装置 上盘部分,在跨断层隧道的设计阶段需引起足够重视。     

大断面隧道高压富水变质岩地层及构造带灾害处理技术——以旧堡隧道为例

旧堡隧道地处区域性构造交汇部位,地层为古老的太古界变质岩,岩石因受多期地质构造运动作用,断裂构造极为发育。隧道地下水发育且部分地段存在承压水,在施工过程中,针对掌子面突水涌碴、开挖面坍塌,采取架设临时仰拱和临时挡墙措施,加固绕避; 针对初期支护大变形、二次衬砌开裂等情况,采取超前注浆、超前大管棚和双层初期支护等措施,确保隧道衬砌结构安全; 针对隧道地下水发育情况,采用排水型防水板、边墙增设碎石盲沟并增加泄水洞等措施,确保隧道运营安全。     

盾构法隧道穿越活动断裂带方案探讨

为研究隧道穿越活动断裂带的合理抗错设计措施,结合胶州湾第二海底隧道采用案例调研、数值模拟等手段分析了3种不同抗错方案下隧道结构变形、接缝张开、错台形态以及钢筋应力、螺栓轴力等关键控制指标,探讨不同措施的抗错效果。研究表明： 1）3种不同抗错措施在断层错动作用下管片结构沿纵向受力变形规律相同,断层错动对隧道结构影响主要集中在破碎带上盘边界外30 m到下盘边界外30 m的范围; 2）断层错动作用下钢筋受力整体表现为“顶底部钢筋受压、两腰部钢筋受拉”状态,环宽1.5 m钢筋拉应力最大为436 MPa,3种工况下钢筋均未发生屈服; 3）环宽1.5 m管片环缝张开量为3.8 cm,比其他2种工况减小60%~70%; 4）提出了管片环宽1.5 m以及抗震设防区域为上盘左边界2D至下盘右边界2D（D为15.0 m）范围的抗错设计方案。研究成果对盾构法穿越大错动量断层带的抗错方案研究具有一定的参考作用。     

穿越活动断裂带铁路隧道抗震关键技术

震害统计结果表明，当隧道穿越活动断裂带段时，结构震损尤为严重，尤其是位错量达到m级时，仅靠结构自身难以抵抗。为建立穿越活动断裂带铁路隧道抗震技术体系，通过现场调查对大梁隧道震害特征进行分析，采用模型试验及数值模拟方法研究穿越活动断裂带隧道变形破坏机制。研究表明： 1）现有铁路隧道抗震技术及工程措施可保证洞口、浅埋及洞身非活动断裂带段的隧道结构在地震作用下保持结构稳定，但目前尚无可靠的隧道结构形式可以抵抗大尺度位错。2）基于震害调查结果，通过理论分析提出穿越活动断裂带隧道设防分区。3）穿越活动断裂带隧道的破坏主要集中在强烈影响段及其两侧一般影响段，应针对2种区段的不同震害机制分别进行抗震设防。4）通过理论分析及文献调研，提出穿越活动断裂带隧道新型多级减震可变结构设计体系、隧道震后快速抢通方案。     

隧道穿越断层破碎带施工方案及力学效应研究

以2022年北京冬季奥林匹克运动会重大交通保障项目延(庆)-崇(礼)高速公路第06标段玉渡山隧道为工程背景,采用FLAC 3D程序研究了隧道穿越F115断层破碎带CD法施工方案,分析拱顶沉降、水平收敛与塑性区范围,依据分析结果并结合现场监测数据,给出了锚-网-喷-钢拱架联合支护方案。研究结果表明:(1)施作支护方案后,隧道穿越断层破碎带段累积拱顶沉降为16.2mm,累积水平收敛量为22.3mm,而现场监测得到的累积拱顶沉降与累积水平收敛分别为19.3mm和26.5mm,二者较为吻合,故在后续隧道穿越断层破碎带CD法施工过程中以数值计算的方式预估隧道累积拱顶沉降、累积水平收敛等相关参数;(2)若数值计算结果显示隧道最大累积拱顶沉降量、最大累积水平收敛量较大、塑性区较为发育时,则隧道存在较大塌方风险;(3)在施作支护方案后,穿越断层破碎带段隧道的累积拱顶沉降量由51.5mm减小至19.3mm,累积水平收敛量由62.7mm减小至26.5mm,有了明显降低,且应力集中得以改善,塑性区范围亦大幅减小,隧道得以顺利穿越断层破碎带。     

我国西南部山区隧道施工期支护结构力学行为特征案例分析

为研究我国西南部山区隧道施工期支护结构所面临的重大问题，将雅安—康定、汶川—马尔康高速公路的典型隧道作为案例，归纳总结施工期存在的高地应力、软弱围岩、断层破碎带、次生地质灾害等潜在危险源，通过现场实测数据深入分析不同危险源环境下支护结构体系的力学行为特征。研究结果表明： 1）当隧道穿越软弱围岩时，围岩强度低、自承载能力差，接触压力、钢拱架应力均显著高于普通围岩隧道，二次衬砌分摊荷载比例显著上升； 2）当隧道穿越断层破碎带时，支护结构受力需要较长时间才能稳定下来，其力学行为呈现出3阶段演化规律，前期快速降低、中期缓慢降低、后期基本稳定； 3）当隧道洞口穿越松散堆积体时，坡体稳定性易受到扰动，其支护结构力学行为具有显著的偏压特性，围岩压力主要集中在深埋侧； 4）高地应力与围岩强度联合控制着围岩稳定性与支护结构体系的力学行为，高地应力硬岩隧道也具有一定的流变时间效应，但由于硬质围岩的强度较大、稳定性较好，支护结构受力相对较小，安全储备较高； 5）高地应力软岩隧道的围岩压力与结构受力显著升高，其支护结构力学行为在施工期便呈现出明显的流变特性，开挖约200 d后，仍然保持着缓慢增长。     

活断层错动位移下变形缝间距对隧道内力的影响

以活动断裂带为工程背景,探究变形缝间距对跨断层隧道内力的影响。运用ABAQUS有限元分析软件,建立穿越活动断裂带的隧道模型,分析断层错动下不同节段长度隧道围岩压力分布情况、二次衬砌最大轴向应力变化情况以及隧道塑性应变发展规律。结果表明:隧道节段长度越短,二次衬砌最大轴向应力越小,最大塑性应变越大;断层错动的影响主要集中在断层带内左侧区域的隧道,拱腰和拱脚部位受力和塑性变形明显。     

一种探测隧道含水断层破碎带的新技术——瑞利波探测技术

通过实例分析,介绍瑞利波超前探测施工隧道含水断层破碎带的优点,为在隧道施工过程中,超前预报含水断层破碎带展示了一种简便、高效的新技术。     

考虑水影响的关角隧道断层区围岩亚分级研究

在断裂构造发育区段围岩情况变化频繁,如何根据现场揭露的围岩情况采取相应的支护措施防止坍塌和大变形是这类区段施工的难点。以关角隧道断层区隧道施工为研究对象,对有水和无水条件下的支护结构受力进行了计算。计算结果表明围岩越差,在有水和无水时,衬砌内力相差越大,即恶化越严重。结合该工区围岩特征、受断层影响情况和地下水发育情况将关角隧道断层区围岩等级划分为Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅴ1、Ⅴ2级,提出了相应的现场定性判别标准。为了应对断层区围岩可能发生坍塌、大变形,同时应对的工法转换带来的设备、工序变化,加快断层破碎带区段的施工进度,结合断层区围岩亚分级提出对应的开挖方法为上下台阶和上下台阶预留核心土法。     

一种三臂凿岩台车推进梁上顶盘的改造

为提高凿岩台车施钻时超欠挖控制的精度,通过对一种三臂凿岩台车推进梁上的顶盘结构进行分析,发现原顶盘的结构设计存在一定的缺陷,即顶盘钻杆导向孔与隧道纵向水平线之间的距离过大,导致施钻时外插角难以控制,从而影响超欠挖控制的精度。通过分析和总结,对顶盘重新进行了设计,通过减小顶盘钻杆导向孔与隧道纵向水平线之间的距离减小了施钻时的外插角,从而减少了对超欠挖的影响。