软岩隧道挤压型大变形非线性流变属性及其锚固整治技术研究

针对隧道高地应力软弱围岩洞室施工开挖变形与围岩失稳以及衬护结构设计问题，阐述开展岩土流变学研究的必要性以及对软岩挤压型大变形非线性流变问题的研究内容和方法，介绍隧道围岩挤压型大变形的定义、变形特征，及国际上隧道围岩挤压大变形的判定。介绍隧道围岩挤压型大变形非线性流变理论、相应的专用设计软件研制及其工程应用，主要介绍有关的研究内容及其创新性方面； 以广义Komamura-Huang流变模型为基础，建立一种能较完整地反映围岩二维、三维大变形非线性流变全过程的Komamura-Huang“弹-线黏弹-非线性大变形黏塑性”流变模型，并在ABAQUS软件基础上进行专用软件的二次开发，将其应用于兰新铁路兰武客运专线乌鞘岭铁路隧道岭脊段围岩5#断层带中，后又应用于甘南木寨岭高速公路隧道和云南滇中红层引水隧洞2处软岩围岩挤压大变形隧道，采用大尺度让压锚杆/预应力长让压锚索进行了整治研究，并分别进行了二维和三维非线性大变形黏弹塑性数值模拟分析。指出有待进一步深化研讨的若干问题。总结针对软岩挤压型大变形沿用现行刚性支护方案的不合理性和失效教训。提出管控/约束隧道围岩大变形持续发展的让压支护锚固技术措施--一种新型大尺度让压锚杆/预应力让压锚索，介绍让压锚具的受力机制及构造，强调其10个关键性设计施工参数。以兰州木寨岭高速公路隧道围岩挤压型大变形非线性流变分析与采用让压锚杆进行工程整治的试验段情况为例，对该隧道围岩挤压大变形进行二维数值模拟，并对施作让压锚杆进行工程整治的主要有关设计参数进行分析计算。“边支边让、大尺度让压锚杆”方法已先后在几处工程中得到了成功实施，取得了应有的经济效益，其工程技术收益应更受业界关注。     

基于灰色预测方法的隧道大变形预警技术研究

围岩和支护措施的大变形以及由大变形引起的塌方,是隧道开挖后的主要灾害之一。介绍了利用改进的灰色模型,预测和分析围岩位移的发展趋势、变形规律的方法,根据工作经验将围岩位移失稳预警分为了三个级别并进行了详细的定义,在实际工程应用中取得了较好的效果。     

基于灰色预测方法的隧道大变形预警技术研究

围岩和支护措施的大变形以及由大变形引起的塌方,是隧道开挖后的主要灾害之一.介绍了利用改进的灰色模型,预测和分析围岩位移的发展趋势、变形规律的方法,根据工作经验将围岩位移失稳预警分为了三个级别并进行了详细的定义,在实际工程应用中取得了较好的效果.     

兰渝铁路两水隧道高地应力软岩大变形控制技术

兰渝铁路两水隧道地质条件极为复杂,洞身围岩为千枚岩及炭质千枚岩,属极软岩,受高地应力影响,施工时发生了挤压性大变形,变形和破坏极为严重。以现场测试和理论分析为手段,结合隧道变形特征,探索和研究了适合两水隧道的软岩变形控制技术,并得出以下结论:1)软岩隧道的变形特性及稳定性(塑性区)取决于地应力、围岩的力学特性、开挖断面等,且与围岩的支护条件密切相关;2)通过采用加大预留变形量、加大支护刚度、多重支护,优化施工方法、适时施作二次衬砌等手段有效地控制了大变形,较好地解决了两水隧道高地应力软岩施工问题。在此基础上,提出了软岩隧道大变形分级标准及其对应的支护参数。     

挤压大变形隧道研究现状及高强预应力一次(型)支护体系

大变形是现今隧道工程的重点难题。分析国内外大变形的定义、分类与机制、判定标准、控制理论与措施等,对隧道围岩大变形进行细致梳理与归纳总结。阐述挤压大变形的控制思路,提出尽可能发挥支护体系提升与改善围岩承载能力的作用,而非仅被动地承载;探讨现今挤压大变形的重点研究方向与突破点;提出高强预应力一次(型)支护体系,并介绍其组成及相应的关键点,强调"预应力"在整个支护体系中的核心地位;最后,通过现场试验验证所提出的高强预应力一次(型)支护体系可较好地控制挤压大变形围岩的位移,并缩短变形稳定时间。     

大跨隧道洞口浅埋段初期支护严重变形的整治

文章以某三线大跨隧洞口浅埋软弱围岩段初期支护严重变形的处理过程为例,分析隧道洞口软弱围岩地层段施工时初期支护下沉变形严重的原因,介绍变形段整治方案及处理要点,并提出隧道浅埋软弱围岩段预防下沉的技术措施,为类似工程处理提供借鉴经验与教训。     

隧道施工引起地表变形预测的半解析法

基于弹性力学Mindlin解,假定隧道围岩为均质弹性体,给出了用于预测隧道施工引起地表变形的半解析法。该方法是采用三点勒让德-高斯求积法利用点荷载下的Mindlin位移解,推导了均质弹性地层中隧道开挖施工引起地表变形的半解析计算公式,可以模拟并预测隧道开挖面不同支护方式引起的地表变形。通过对地铁隧道工程的实例分析并与Verruijt方法计算出的地表变形比较分析,结果表明：用该方法计算出的地表变形预测值与实际沉降曲线较吻合,较用Verruijt方法计算出的结果更精确。     

大变形隧道力学效应及施工对策

在软弱围岩中修建隧道,围岩及隧道结构如初期支护和二次衬砌都遵循大变形理论,因此设计和施工都应该以＂大变形＂理论为指导,进行设计施工。通过大变形理论分析得出,隧道施工必须以＂新奥法＂隧道施工理论为指导,切实搞好隧道围岩预加固、分部、分台阶开挖,以确保软弱围岩隧道在施工过程中的安全,通过＂大变形＂理论为指导,加强监控量测,使得施工过程中整个隧道始终处于安全可控制状态。     

某软岩隧道变形规律和二衬最佳支护时机选择研究

中和村隧道工程地质情况复杂,施工难度大,围岩级别为Ⅴ级,以全～强风化泥岩为主,隧道周边岩体自稳能力弱,需提前施作超前支护,初期支护须及时支护,以免产生过大的塑性变形,从而影响二次衬砌的正常施工,甚至出现工程事故。大变形软岩隧道的围岩变形规律与普通硬岩隧道的变形规律大不相同,而在变形-空间-时间效应复杂多变的情况下,隧道二次衬砌最佳支护时机的选择非常重要。该文通过对围岩蠕变特性的理论-位移公式计算和现场监控量测数据的回归分析,得出了该隧道围岩变形规律和二次衬砌最佳支护时机的参考范围。     

大变形隧道钢拱架自适应节点轴压性能研究

针对挤压型软岩隧道大变形问题,基于能量释放的让压支护理念,发明了一种适用于软岩大变形隧道的自适应钢拱架节点;该节点通过滑移实现让压,能够显著降低围岩压力,充分发挥支护材料的性能。通过理论计算与室内试验,研究了自适应节点的轴向承载特性,证实了自适应节点的可行性和让压性能,并总结了自适应节点工作的4个阶段：弹性变形阶段、恒阻滑移阶段、压实阶段和塑性变形阶段。建立了考虑自适应节点细部构造的三维精细化模型,并基于理论解析和试验结果进行了对比分析。研究结果表明：自适应节点能够在保持恒定滑移阻力的同时产生较大变形,对比传统钢架连接节点具有较高的可压缩性;自适应节点的滑移阻力随螺栓扭矩的增大而增大,螺栓扭矩在70,80,90,100 N·m时,理论值、模拟值和试验值吻合较好。对比分析设置自适应节点的钢拱架和传统钢拱架的支护效果可知：在相同收敛变形时,设置自适应节点可使钢拱架的内力显著降低,但在节点处出现了应力集中;设置自适应节点可使钢拱架的极限收敛变形提升10倍左右,能够更好地适应隧道大变形。新型自适应节点取材方便、构造简单,可以为高地应力区软岩公路隧道大变形支护技术研究提供新的思路,但其与围岩的相互作用还未探明,要在实际工程中应用还有待进一步的研究。     

一种大尺度让压锚杆特性分析及其应用研究

随着众多深、大、长隧道的建设,软岩挤压性大变形问题日益突出。让压锚杆是一种治理大变形问题的有效手段。介绍大尺度让压锚杆的结构及支护过程,并采用ANSYS软件验证大尺度让压锚杆弹性变形、滑动让压、杆体受拉3阶段的工作特性。采用基于Hoek隧洞挤压预测经验公式的概率分析方法和ABAQUS软件分别对让压锚杆的让压力和让压量研究,结果表明:1)锚杆让压力存在下限值,岩体抗压强度越高,下限值越低;2)让压量增大到一定程度后,再增加相同的让压量,二次衬砌压力降幅减小。利用大尺度让压锚杆的受拉阶段,实现"边支边让,先柔后刚",可有效控制围岩大变形,提高隧洞的长期稳定性。     

让压预应力锚索在软岩隧道大变形控制中的作用机制研究

为解决高地压、高流变条件下软岩隧道围岩及支护结构大变形控制难题，通过理论和数值分析，研究让压预应力锚索在隧道大变形控制中的作用机制。研究内容包括2个方面，一是研究新型让压锚垫板在低预紧力及低围压下的力学性能，满足支护结构先柔让压的要求； 二是让压结束后，预应力锚索在高预紧力条件下改善支护结构受力性能，实现后刚强支的作用。结果表明： 1）预应力锚索通过施加预紧力，增大洞壁径向阻力，提高围岩稳定性； 2）预应力锚索在让压结束后对支护结构的主要作用是减跨，由此提高支护结构刚度和承载能力； 3）围岩、支护结构和让压预应力锚索变形协调，力学上相互耦合，构成“先柔后刚”的支护体系。     

软岩隧道中基于快速预应力锚固支护的变形控制技术

以木寨岭公路隧道为依托，基于单一锚固形式的拉拔试验与交通隧道工程对锚固系统的要求，提出了适用于软岩大变形隧道且可实现及时支护理念的快速预应力锚固系统，并以其为核心载体，开展了支护技术应用试验研究。拉拔试验结果表明：受限于锚固成效、锚固力及锚固时间等因素，软岩隧道中涨壳式锚固和水泥药卷锚固均无法实现及时主动支护的功能；以后期具备良好锚固效果的水泥浆锚固和能快速凝结后可施加预应力的树脂锚固为基础，提出了全新的“及时（树脂端锚）+永久（水泥浆全长注浆）”快速预应力锚固体系，并以其为基础，在依托工程大变形段开展了以快速预应力锚固系统为核心的新支护体系和强力被动支护体系的对比试验研究。对比试验结果表明：以预应力后注浆树脂（鸟笼型）锚索系统为核心的快速预应力锚固支护技术，有效抑制了软岩隧道洞周围岩位移，拱顶沉降由73~127 mm减至34~55 mm，拱腰收敛由295~740 mm减至157~430 mm，显著减少了围岩变形稳定时间与围岩变形潜势，验证了基于快速预应力锚固支护的变形控制技术在软岩大变形隧道中的优越性。     

高地应力软岩隧道围岩大变形NPR锚索控制方法研究

为解决高地应力软岩隧道建设过程中支护结构破坏、围岩大变形等问题,依托地处炭质板岩地层，具有地质构造复杂、断层发育、埋深大、地应力极高等特点的木寨岭特长公路隧道工程，对隧道围岩NPR锚索支护方案进行研究。首先，采用原位试验、现场勘察和室内试验方法，对其地质条件及破坏成因进行分析；然后，利用自主研发的高预紧力恒阻大变形锚索（NPR锚索）材料，设计出一种能够控制公路隧道围岩大变形的NPR锚索综合控制体系；最后，使用该控制体系在现场进行工业性试验，通过对NPR锚索加固区的围岩变形量、钢拱架应力和NPR锚索受力进行实时监测，分析NPR锚索支护方案的围岩控制效果。试验结果表明： 采用NPR锚索“非对称布设和长-短锚索组合搭配”的综合控制体系，能有效控制隧道围岩初期支护大变形难题，最大变形量从2 936 mm控制到240 mm以内，消除了初期支护侵限、开裂等破坏隐患，控制效果显著。     

一种适用于大变形支护的新型可伸长锚杆

支护理论的发展对锚固技术提出了新的要求,即要与围岩变形相协调,允许围岩可控变形,充分发挥围岩的自支撑能力。基于此设计了一种适用于大变形支护的新型可伸长锚杆,该型锚杆在达到初始锚固力后,在保持与围岩协调变形的伸长过程中锚固力可基本保持恒定,达到围岩许用变形形值后,锚固力急速上升。室内与现场试验证实了新型可伸长锚杆协调围岩大变形的优良性能,可在围岩大变形支护中推广应用。可伸长。     

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。     

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。     

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。