基于锚杆受力分析的软岩隧道变形规律及柔模支护技术

研究支护状态下围岩变形范围及其位移量将为合理确定软岩隧道开挖的预留变形量及其支护方案提供重要的理论依据。通过将隧道围岩简化为理想弹塑性介质,在围岩中布设全长锚固锚杆。基于锚杆与围岩的协调变形原理,建立杆体与其周围岩体相互作用的力学模型,分析锚杆表面摩阻力及轴力的分布规律,并根据杆体的静力平衡条件,推导出杆体与岩体相对位移为0的中性点位置及其最大轴力值,讨论初期支护条件下隧道围岩的塑性区及破裂区的厚度计算公式及其影响因素;综合考虑隧道表面围岩变形过程中的塑性位移和破裂区岩体的碎胀变形位移,提出隧道表面围岩的位移公式及预留间隙柔模支护技术,进而定量分析榴桐寨软岩隧道的围岩位移及其预留变形量。结果表明：通过锚杆轴力可以反演分析隧道围岩的变形范围,确定围岩稳定后的最终位移量;柔模支护结构能够大量吸收大变形软岩的变形能,且具有适当的刚度抵抗围岩的有害变形,研究成果可为合理设计软岩隧道的开挖及支护方案提供新的思路。     

软岩大断面隧道施工数值模拟与监控量测对比分析

隧道在开挖过程中的稳定性受到众多因素影响,其中软弱围岩大断面隧道尤为突出。文中以某隧道工程为依托,采用FLAC3D有限元软件分别建立隧道在围岩等级、埋深等不同工况下的施工阶段模型,得出位移云图、应力云图及塑性云图,通过对计算结果整理分析,根据隧道开挖步所对应的位移量作出位移-时间关系曲线及拟合回归曲线,并对比实际监测数据总结得到软弱围岩大断面隧道在施工过程中的变形特征和变形规律,确定合理二衬施作时间。     

煤系地层隧道围岩大变形控制研究

煤系地层软弱破碎,围岩大变形已成为穿煤隧道主要灾害之一。广渝高速某隧道地应力量测结果显示,在隧道穿煤段和龙王洞背斜轴部软弱围岩段,最大水平主应力达20MPa,很可能发生大变形破坏,是工程控制重点。分析得出大变形破坏在力学性质和物理破坏模式上均异于小变形破坏,导致其后期变形量、变形速率均无稳定趋势,且最大变形量出现在垂直于最大主应力方向。产生大变形的原因主要有软弱的岩性、高地应力和过大的开挖断面,在此基础上提出了及时封闭开挖面、分台阶开挖并严控开挖面积、自进式注浆锚杆加强支护和应力导流等控制措施,现场量测结果显示,围岩大变形得到了有效控制。研究成果可为类似工程的支护设计与施工提供参考。     

软弱围岩大断面隧道相向施工围岩稳定性分析与掌子面加固研究

相向施工的软弱围岩隧道临近贯通时,两开挖面的扰动区将会叠加,围岩应力及变形异常复杂,存在掌子面大变形和失稳问题。结合狮子垄隧道,采用数值手段分别对单向、相向施工时的隧道围岩应力与位移场进行研究,分析临近贯通时围岩的稳定性。结果表明,相向施工时,随着掌子面前方土体长度的减小,围岩塑性区明显增大,变形加剧,拱效应逐渐减弱,稳定性大大降低;两开挖面间存在极限距离,当2个掌子面距离小于该值时,围岩大范围临近塑性破坏,必须采取有效应对措施,方可保证隧道施工安全。在对掌子面加固、提高初支强度等措施效果分析的基础上,采用竹锚管注浆对狮子垄隧道贯通段掌子面进行加固,并提高初支强度,保证了该软弱围岩大断面隧道顺利安全贯通。     

基于MIDAS/GTS的某公路隧道入口段软弱岩石力学及变形特性研究

为了探索软弱围岩中公路隧道入口段的岩石力学和变形特性,本文选取某采取环形开挖预留核心土法施工的公路隧道入口段为例,借助于MIDAS/GTS有限元软件对围岩的力学和变形特性进行了研究,得到主要结论如下;首先,随着隧道开挖和支护的进行,洞口围岩竖向和水平向应力均持续增大,周围岩体的受开挖影响范围也逐渐增大,但对受影响最大的隧道拱脚位置围岩应力分析可见,开挖上半断面留核心土对围岩的干扰最大;其次,施工过程中围岩受力在其可承受范围内,但隧道拱脚和隧道左侧拱腰上部位置出现明显的应力集中现象;最后,隧道开挖破坏了原有围岩的稳定性,使得隧道两侧拱腰向隧道方向产生对称的的位移,拱顶产生向下的位移。     

挤压性破碎围岩变形控制技术研究

本文依托雁门关铁路隧道开挖项目为背景,针对雁门关隧道施工过程中会发生围岩挤压大变形的情况,研究了预留核心土、超前支护、优化设置系统锚杆、双层支护等各项变形控制技术的控制效果,利用数值计算方法评价采用各种变形控制技术下隧道结构的安全性,形成了雁门关隧道挤压性破碎围岩综合变形控制技术。该高地应力破碎围岩变形综合控制技术适用于在高地应力或深埋条件下大断面软弱破碎围压隧道及地下工程的修建进行推广。     

中外高地应力软岩隧道大变形工程技术措施对比分析——以兰渝铁路木寨岭隧道与瑞士圣哥达基线隧道为例

为解决高地应力软岩隧道在施工过程中遇到的难以控制的围岩大变形问题,依托国内兰渝铁路木寨岭隧道与瑞士圣哥达基线隧道,采用对比分析方法,从软岩大变形机制、高地应力软岩隧道围岩分级及变形控制技术3个方面对两隧道进行对比,得出如下结论: 1）高地应力软岩隧道围岩大变形是在岩性、地下水、地应力场、围岩地质构造等多种因素共同作用下,因开挖卸荷、应力二次分布引起围岩发生塑性剪切滑移所致; 2）在高地应力软岩分级方法上,兰渝铁路木寨岭隧道与圣哥达基线隧道均采用了BQ法,但兰渝铁路木寨岭隧道分级更全面,圣哥达基线隧道分级更具针对性; 3）在高地应力软岩情况下,圣哥达基线隧道采用的新意法的全断面施工方法在施工管理和成本控制上要优于兰渝铁路木寨岭隧道采用的台阶法。     

软岩小净距隧道贯通错距选择研究

软弱围岩小净距隧道在双向开挖贯通时,隧道双幅相隔较近且相互扰动大,容易引起围岩大变形甚至导致贯通段失稳,合理选择左、右幅贯通错距具有相当重要的现实意义。针对云南省某软岩小净距大断面隧道贯通时的贯通错距选择问题,对隧道贯通段进行受力分析和数值分析,分析不同贯通错距下引起的围岩位移和应力的变化情况,经综合对比认为错距在(3～5) D时围岩拱顶沉降和周边收敛值均小于围岩允许的预留变形量,围岩的受力较小,有利于岩体稳定;隧道断面大时取小值,断面小时取大值。选取3D为贯通错距并在实际施工中得到了较好的验证,可为类似软岩小净距隧道贯通错距选择提供参考。     

论软弱围岩隧道施工的对策措施

软弱围岩强度低、自稳能力差,隧道开挖后由于地应力重新分布,使隧道周边产生较大的松动圈,若施工方法和工程支护措施不当,易发生初期支护变形侵限,甚至坍方等安全事故。根据隧道实际地质条件,在对掌子面采取有效预加固措施的情况下,实现大断面甚至全断面非爆破开挖,使用先进专业设备,能够有效克服目前隧道软弱围岩施工中存在的问题,提升隧道施工技术水平。     

超大埋深特长公路隧道初始地应力场反演分析

为探明蓝家岩超大埋深特长公路隧道轴线方向的初始地应力场状态,依据工程地质勘察报告,利用有限元计算软件ANSYS建立了工程区三维地质模型;以现场水压致裂法测得的初始地应力资料为研究基础,通过地质力学分析确定影响初始地应力场形成的主要因素,并将其表达为数值计算所需的边界和初始条件;在各影响因素单独作用下,计算得到水压致裂法各测点位置的地应力量值;运用多元回归分析获得了蓝家岩隧道轴线方向上的初始地应力场分布规律。根据蓝家岩隧道轴线处地应力场回归方程,计算得到现场应力解除法各测点位置处的地应力,并与实测结果进行比较,从而验证反演回归计算结果的合理性。结果表明:主应力量值随埋深呈现出近似线性增长的关系,垂直主应力等于或略大于单位面积上覆岩层的自重应力;主应力量值呈现出S_H(最大水平主应力)S_h(最小水平主应力S_V(垂直主应力)的规律,表明蓝家岩隧道初始地应力场以水平构造应力为主导;主应力量值大部分在20 MPa以上,说明蓝家岩隧道为高地应力场隧道;最大水平主应力与最小水平主应力的量值相差较大,根据摩尔-库仑强度理论可知隧道水平面内存在较大剪应力,易导致围岩产生过大变形或破坏;在断层经过区域,受断层挤压剪切作用,地应力变化剧烈,相对断层前后的地层而言有一定的应力松弛。     

铁路隧道施工主动控制变形技术研究与实践

针对隧道施工中对加固围岩、充分发挥围岩自身承载能力方面重视不够,致使隧道开挖分部较多、工效低以及软弱围岩发生大变形等问题,通过对煤矿行业主动控制变形、国内外主动控制变形技术进行调研和部分铁路隧道施工实践、研究,得出如下结论： 在隧道施工中主动控制围岩变形,可充分发挥、调动围岩的自承载作用;采用主动控制围岩变形技术,可实现软弱围岩大断面机械化快速施工,解决超大断面设计施工技术难题,有效控制高地应力软岩隧道变形,避免大变形的发生; 锚杆、锚索以及注浆加固地层等是主动控制围岩变形的关键技术措施,必须配置大型机械设备,掌握成套施工工艺,确保锚固的及时性和有效性。     

深埋隧道层状岩体破坏过程特征模型试验

针对深埋隧道层状岩体围岩变形破坏的复杂性,以渝沙高速公路共和隧道工程为背景,采用自行研制的弹脆性相似材料构筑层状岩体隧道物理模型,利用应变监测技术和内窥摄影技术,研究了层状岩体在不同荷载作用下围岩应力分布及变形破坏过程特征。结果表明：深部层状岩体受层理结构面的影响,围岩具有明显偏压特征;在沿层理面方向主要受到与其一致的应力挤压从而产生剪切破坏,垂直于层理方向的破坏呈X型裂纹且沿洞壁深部发展;掉落块体呈楔型体,隧道围岩破坏范围呈明显的不均现象;模型试验结果与现场测试结果基本一致,为理论分析深部层状岩体破坏机理提供了可靠的试验结果。     

软弱围岩初始地应力下的衬砌受力分析

结合某隧道工程实例,利用有限元分析方法和工程类比法。分析隧道衬砌在软弱岩层不同初始地应力作用下的受力和围岩的变形情况。得出随着围岩初始地应力的增加,围岩的最大水平和竖直位移、锚杆和初支最大轴向应力接近线性增加趋势,且随初始地应力的改变,最大值节点的值仍为最大。与初支相比二次衬砌受力极小,证明其具有安全储备的作用。这一结果与施工现场观察的现象基本吻合,为今后软弱围岩条件下隧道衬砌支护设计起到参考性价值。     

G7高速公路金盆湾隧道初支大变形病害处治技术应用

金盆湾隧道为全程Ⅴ级围岩大断面特长公路隧道,水文地质为松散覆盖层中孔隙水及基岩裂隙水。孔隙水主要赋存于第四系卵石、圆砾等碎石土及砂砾、粉砂等砂类土孔隙中。工程地质为围岩,主要为第四系粉土、漂石、卵石及白垩系上统助马堡组砂岩。第四系覆盖层结构松散,抗冲刷能力差,白垩系上统助马堡组砾岩成岩程度低,岩质较软,岩体极破碎,被雨水浸润易软化,围岩自稳能力差。无支护时拱部易产生坍塌,侧壁易产生掉块或失稳,按照大变形产生的机理可将大变形分为高地应力下软弱围岩中的大变形、膨胀性围岩大变形、断层破碎带松弛变形等几种,为典型大变形隧道。文章就金盆湾隧道实施大变形病害处治施工展开论述,为同行提供参考。     

软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差,易发生大的变形、钢架扭曲等现象。为降低安全风险,依托郑万高铁高家坪隧道进口机械化全断面爆破施工,对支护体系下的围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力、锚杆轴力、围岩内部位移、掌子面挤出变形等进行系统试验研究。试验结果表明： 围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力受岩性条件、施工扰动等因素影响显著,随时间推移均呈现“急剧增大、缓慢增大、波动变化、稳定收敛”的变化规律; 通过锚杆轴力峰值位置可以初步判定围岩塑性区范围约为距洞壁3.0 m。基于现场试验监测,通过数值模拟分析了初期支护结构压应力、轴力和弯矩的分布情况,与现场量测数据相符,较好地反映了初期支护受力特征。本次试验的相关方法、手段和结论对隧道机械化大断面施工软弱围岩变形与支护体系受力研究具有借鉴作用,同时也为建立科学合理的支护结构体系提供了参考。     

将军山隧道节理特征对围岩稳定性的影响及锚杆支护机理研究

节理岩体隧道破坏与节理属性密切相关。文中依托将军山大跨隧道,分析节理特征对隧道围岩稳定性的影响,阐述节理岩体隧道围岩失稳机理和锚杆支护机理,提出节理岩体隧道锚杆支护设计建议。结果表明,块体塌落区分布在两组节理与隧道相切形成的三角区,为围岩失稳关键区域;节理张开区、剪切滑移区由拱腰延伸到拱脚、拱肩,向围岩深部发展,呈蝶形分布,为围岩失稳潜在区域;节理岩体失稳机理为开挖应力平衡打破—应力降低区出现—节理面剪切滑移—节理面张开—块体塌落;节理岩体锚杆作用机制为对节理面施加法向应力以增加节理面摩擦阻力、锚杆轴力提供抗滑力、锚杆抗剪能力限制节理面相互错动。     

极高地应力区隧道地质特征及围岩变形机制研究

以某在建高速铁路隧道作为工程实例,结合地质情况,从初始应力、岩体结构和地下水分析了影响围岩的因素。运用理论分析和现场监控量测反馈结果等综合方法,从监控量测数据时态曲线特征、方向性、累计变化量、变形速率、时效性、现场围岩变形情况、隧道施工影响、变形段变形差异性等方面系统分析了极高地应力区隧道围岩变形特征及机制,并得出如下主要结论:1)极高地应力区围岩应力释放有一定的过程,不同的围岩应力释放的速度可能不同,爆破对围岩产生扰动,将一定程度加速围岩应力的释放。2)围岩地质条件不同,变形规律会表现出一定的差异性。3)围岩的变形机制,层状围岩的变形破坏一般形成几个区域:破坏区,崩塌,滑动滑移,张裂、弯曲及折断。4)本隧道围岩变形特征主要是由极高地应力和岩体结构综合决定的,隧道初期支护变形情况一定程度上是隧道围岩变形特征的有效反映。     

小相岭隧道围岩力学状态测试及大变形成因分析

为解决小相岭隧道平导和正洞的围岩大变形问题，采用现场试验的方法对围岩力学状态进行测试，基于实测数据对隧道大变形成因进行分析并提出针对性控制治理对策。结果表明： 1）隧道围岩强度偏低且存在明显的各向异性，初始地应力以水平应力为主，属极高地应力；现场实测结果显示底板处围岩损伤范围明显大于边墙处，推断隧道大变形为底隆变形，这与现场结构变形特征相符。2）隧道大变形的主要原因是下伏缓倾层状软弱岩层、高水平地应力、支护结构不对称等因素，尤其是平导底板的不对称结构对抵抗底隆变形能力较弱。3）在采取平导设置仰拱、正洞打设长锚杆、增大预留变形量、提升结构的刚度及强度等措施后，隧道变形得到了有效控制。     

高地应力条件下软岩隧道大变形数值模拟

隧道围岩稳定性问题一直是岩土工程的一个重要研究内容,而围岩稳定性评价结果的正确与否直接关系到地下工程的成败。为了研究高地应力条件下,隧道软弱围岩在不同侧压系数和埋深条件下的变形规律,探讨围岩动态变化趋势,文章采用能描述岩体大变形特征的有限差分软件FLAC3D,对依托隧道工程Ⅱ类围岩典型断面进行了模拟仿真分析,结果显示:①在埋深一定的情况下,随着侧压系数的增大,隧道围岩位移量变化均呈现出先增加后减小的趋势。其中底鼓对侧压系数的变化最为敏感,水平收敛次之,拱顶下沉相对较弱;②随着埋深的增大,隧道围岩位移量均有不同程度的增加。研究结果用于云岭隧道围岩稳定性分析是非常有效的,可为后期隧道支护设计和施工提供参考。     

家竹箐隧道煤系地层段病害特征及成因分析

家竹箐隧道自1997年建成运营以来,分别于2003年和2013年在煤系地层段发现有衬砌开裂、剥落、掉块、渗水等病害。对病害原因进行调查、分析,主要结论及建议如下:1)隧道的2次病害均发生在大变形处理与非处理的过渡段,病害以衬砌裂损为主;2)隧道区地应力是持续发展、聚集、提高的,既有大变形段的小里程端是地应力的主要聚集、作用区;3)区域构造产生的地应力作用是造成隧道病害的主要原因,围岩软弱、结构偏弱是次要原因;4)预计构造运动造成该隧道煤系地层段地应力的聚集、作用并导致病害的产生存在着6~10年的周期性;5)建议类似地质条件下软质岩高地应力大变形隧道设计及施工加强措施的地段应扩展到大变形两侧一定范围。