铁路标准断面隧道节理倾角效应研究

以郑万铁路黄家沟隧道标准断面为研究对象,对不同产状岩质隧道进行稳定性分析,研究围岩力学响应、变形特性以及锚杆力学特征,阐明不同于传统松散介质的层状岩质隧道失稳模式及锚杆支护要点。结果表明:节理面极大削弱了岩体稳定性,开挖会引起沿层理面滑动,导致明显地质偏压。隧道开挖使得层间节理首先被破坏,节理离层区不是发生在最大主应力方向上,而是发生在节理垂直方向。水平层状或倾角较小时,顶部和仰拱节理之间产生离层区,易引起岩层弯折破坏;随着倾角增大,顺弱势节理面滑动趋势增大,破坏主要取决于节理面强度和层状节理之间滑移;当倾角为75°～90°时,破坏主要为边墙岩块弯曲压溃;竖向节理时,中间垂直土体挟持作用减弱,易剪切破坏失稳引起冒顶坍方趋势。从群锚效应来看,锚杆与滑移面夹角大于23°时,锚杆支护效果发挥较为明显的效果。     

节理倾角及组数对铁路隧道围岩稳定性的影响

我国西南地区崇山峻岭、地质构造条件复杂多变,岩体内部节理、片理、层理发育。隧道穿越节理发育围岩时,极易引发围岩大变形、掌子面失稳坍塌、钢架变形扭曲、初支掉块和二次衬砌开裂等工程灾害。为了分析节理对隧道围岩稳定性的影响规律,依托玉磨铁路西双版纳隧道,利用ABAQUS建立计算分析模型,得到不同节理条件下围岩塑性破坏特征。(1)节理对称分布时,节理屈服、围岩塑性应变呈现出对称分布于拱部、两侧拱肩和仰拱两侧区域的特点。(2)节理倾角较陡时,岩体性质是影响主控因素;节理倾角较平缓时,围岩发生沿节理面的剪切滑移破坏,节理是围岩整体发生塑性破坏的主控因素;当节理倾角为60°或120°时,围岩的塑性应变最大,最大塑性应变为0.197。(3)当节理倾角为90°时,围岩及节理屈服区域主要沿着节理方向垂向分布,且影响范围深入地层中。(4)2组节理条件下造成围岩塑性破坏的主要原因是节理面的塑性屈服;当节理倾角组合为60°+90°时,围岩的塑性应变最大,最大塑性应变为0.521。     

节理倾角对层状岩体大断面隧道稳定性研究

以山西大梁山隧道工程为研究对象,研究不同节理倾角隧道围岩稳定性以及锚杆力学响应,阐明其不同于传统松散介质理论的层状岩质隧道失稳模式。主要得出如下结论:①节理面是隧道失稳破坏关键所在;②倾角较小时,拱顶容易发生弯折破坏;③锚杆串连数层层状岩体,增大层间摩阻力,增强节理剪切刚度;④宜将锚杆与节理面呈大角度打设,以便发挥"销钉"和"组合梁"效果。     

软弱结构面岩体剪切蠕变试验研究

铁路隧道建设不可避免会遇到断层、破碎带、泥化夹层、节理和裂隙等软弱结构面.软弱结构面的蠕变力学特性直接关系到隧道工程的长期稳定性.采集无扰动的天然软弱结构面立方体试样,开展不同正应力条件下的室内蠕变力学试验,以探究天然软弱结构面岩体的剪切蠕变特性,并讨论软弱结构面的长期强度的确定方法.研究结果表明:剪切蠕变过程分为瞬时阶段,瞬态蠕变阶段,稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段;瞬时变形和蠕变变形受正应力和剪切应力的影响;稳态蠕变速率与剪应力的关系可采用指数函数或幂函数表示.软弱结构面长期强度与稳定应变率有关的确定方法操作简单,具有一定的参考意义和价值;与人工预制水泥砂浆材料的结构面岩体相比,天然软弱结构面的剪切蠕变机理更复杂,在低正应力作用下,填充的土石混合物会显著影响剪切蠕变变形.     

不同宽度岩桥节理岩体直剪试验研究

通过室内常规直剪试验研究了不同宽度岩桥节理岩体的破坏特性和抗剪强度的变化规律。结果表明:节理岩体的抗剪强度主要由岩桥提供;随着岩桥由窄向宽变化,破坏方式由剪断破坏到大范围的剪切破坏,形成具有一定角度的剪切面;在岩桥由宽变窄的过程中,对岩石抗剪强度起主导作用的强度参数由黏聚力变为了内摩擦角。     

高地温隧道注浆节理剪切损伤本构模型研究

高地温环境对水泥浆在硬化过程中造成的损伤，直接影响隧道围岩注浆节理的剪切性能和注浆加固的效果。主要考虑高温和法向应力2个影响因素，并采用能反映高地温隧道施工期间温度场真实变化过程的高温变温养护方法，进行浆-岩复合体试件的养护，并开展室内注浆节理直剪试验，由此获得不同初始养护温度和法向应力条件下的注浆节理剪切破坏特征、剪切应力位移曲线等；利用浆-岩界面扫描电镜（SEM）试验，分析高温变温养护对水泥浆微观结构的影响规律；在此基础上，引进统计损伤理论，建立考虑温度损伤的注浆节理剪切本构模型。结果表明：注浆节理剪切破坏模式在初始养护温度40℃时表现为胶结面破坏，60和80℃时表现为混合剪切破坏，且温度越高，水泥浆在破坏面中的占比越高；高温导致水泥浆微观上水化产物搭接不紧密，微孔隙、微裂缝发育，且温度越高，水泥浆微观损伤越严重；初始养护温度与注浆节理峰值剪切强度、剪切刚度呈负相关，与峰值剪切位移呈正相关，初始养护温度与法向应力的叠加效应对注浆节理剪切性能的影响较为明显；考虑温度损伤效应的注浆节理剪切本构模型，与试验结果有较好的吻合度，可为高地温隧道注浆节理剪切问题的相关研究和注浆加固设计提供借鉴...     

软弱相间水平层状岩体隧道围岩变形特征分析

为研究软弱相间水平层状岩体隧道围岩变形破坏机理并正确指导设计施工,采用现场隧道围岩松动圈测试并结合三维离散元数值模拟方法对不同工况下隧道塑性区分布、收敛位移进行比较分析验证。结果表明:隧道墙脚容易产生塑性变形,造成底部岩体支撑方式发生变化,由于岩体软弱相间且层间连接弱,在拱顶沉降与两侧围岩水平收敛产生的水平力作用下,导致底部岩体发生向上的变形破坏。针对其变形破坏机理,对其支护措施进行研究,发现对底部岩体进行锚杆加固,增大了层间岩体连接,减小了各向异性,提高了岩体的整体强度,有效降低隧道底部岩体向上变形程度,防止隧道底部隆起,保证施工和运营安全。     

纵向残余顶推力对盾构隧道纵向刚度影响试验研究

针对盾构隧道纵向刚度影响因素复杂、客观存在的纵向残余顶推力常被忽略等问题，以南昌地铁盾构隧道管片环为原型设计1∶10的缩尺模型，按环缝连接接头位置的不同，分2组开展纵向残余顶推力对隧道纵向刚度影响的试验研究，并结合工程实际分析影响盾构隧道纵向刚度的若干因素。结果表明：横向受力相同时，不同于刚度均匀简支梁反演得到的纵向挠曲变形，模型盾构隧道实测得到的纵向挠曲变形表现出明显的非线性特性；盾构隧道残余顶推力对其纵向刚度影响显著，刚度增长与纵向预压力增加呈现非线性关系；在相同纵向预压力作用下，角码布设在与水平线呈45°位置时，模型管片环之间可能发生的剪切位移量更大；盾构隧道残余顶推力、隧道挠曲变形阶段、环缝连接螺栓数量与形式、管片环缝端部构造等均对盾构隧道纵向刚度产生影响；隧道纵向挠曲变形主要由环缝张开及管片环之间的剪切滑移2部分导致，且管片环之间的剪切滑移具有随机性。     

砂岩夹泥岩地层隧道支护结构受力特征研究

岩体节理信息与支护体系受力特征是砂岩夹泥岩地层大变形隧道修建过程中的两个关键问题。以吉林至珲春客运专线铁路庆岭隧道为依托,依据现场测量岩体信息、支护受力情况,研究掌子面砂岩夹泥岩节理特征,绘制赤平投影图,确定岩体优势节理面(组数、倾向、倾角),分析支护体系受力特征。分析结果表明:庆岭隧道变形基本对称,下台阶开挖初期拱顶沉降、边墙收敛较为明显,可作为变形监控关键控制步;围岩压力以竖向为主,水平侧压力系数为0.25;钢拱架以承受压应力为主,拱顶的弯矩、轴力最大;采用容许应力法检算,原设计I20a钢拱架无法满足抗弯要求,建议更换为I25a型钢拱架或者采用I20a双层钢拱架,以保证支护结构的安全。     

非一致性地震作用下穿越破碎带长大隧道衬砌结构动力变形分析

为探讨非一致性地震作用下穿越破碎带长大隧道衬砌结构的变形机制，基于随机地震动理论，生成能体现长大隧道行波效应和衰减效应等局部地场效应的地震加速度时程曲线；通过建立不同的不利地质结构形式的多方案隧道有限元计算模型，采用仰拱分区域垂直入射地震波的方式，分析不同倾角、厚度以及岩体等级的破碎带对隧道衬砌轴向和横向变形的影响，揭示非一致性地震作用下长大隧道衬砌结构变形特征。结果表明：非一致性地震作用下长大隧道衬砌结构变形具有明显的空间非一致性；沿隧道轴向方向，破碎带的存在限制了衬砌轴向拉压变形，但加剧了衬砌的轴向剪切变形，当破碎带与隧道夹角为45°时衬砌的轴向拉压和剪切变形最大，而衬砌整体轴向变形受破碎带厚度和岩体等级的影响较小；沿隧道横断面方向，衬砌纵向剪切变形主要集中于拱腰位置，而径向剪切变形集中于拱顶和仰拱位置，衬砌的最大纵向和径向剪切变形均出现在破碎带倾角为45°时，且当破碎带厚度过大时，衬砌横断面的剪切变形也较大，但不同岩体等级对衬砌横断面的剪切变形影响不大。     

水平层状泥岩铁路隧道底鼓机理及解析方法研究

西南地区缓倾层状泥岩地层铁路隧道仰拱底鼓病害频发,当列车高速通过时因轨道不平顺导致晃车现象,严重影响列车行车速度及安全。针对缓倾层状泥岩铁路隧道底鼓病害问题,以YD隧道底鼓段为研究对象,通过对隧道底鼓段进行长期变形监测和理论分析,对缓倾层状泥岩铁路隧道底鼓特征及机理开展研究。研究结果表明：隧道左线、中心和右线道床板中心位置处测点底鼓明显,即仰拱中部底鼓量较大,底鼓严重区段6 a持续上鼓约69.75 mm,沿隧道纵向底鼓区段长度约40 m,而隧道两侧边墙墙脚处未发生变形;对于中薄层缓倾层状泥岩地层,在水平构造应力作用下,隧道仰拱底部缓倾层状岩体在弹性阶段向临空面发生一定程度的挠曲变形,隧道边墙围岩沿节理面发生水平剪切滑移变形,隧道拱顶部位围岩发生垂直层理面的弯曲变形,由于衬砌结构作用拱部围岩变形较小。依据隧道平底板受力特征,基于竖向及水平双向荷载作用的简支梁力学模型,建立缓倾层状围岩隧道底板底鼓力学解析模型,分析揭示了隧道仰拱最大底鼓变形量与弹性模量E和底板厚度h成反比,与竖向地应力σz,水平地应力σx和隧道跨度l成正比。研究成果可为类似工程隧道仰拱设计及底鼓治理提供理论依据。     

节理岩体中隧道开挖后渗流场重分布影响因素研究

在富水地区的节理岩体中开挖隧道会打破原有的渗流平衡,形成新的渗流场,造成突水等灾害。考虑流固耦合作用,运用离散元理论,建立垂直交叉节理岩体模型,以洞周测点的流量为指标,从地应力、水位高度和节理法向刚度等方面进行隧道开挖后节理岩体渗流场重分布的影响因素研究,并从开挖前后节理隙宽和水压力变化分析影响产生的原因,结论可为进一步研究围岩稳定性和突水灾害等提供参考。     

基于遍布节理模型的顺层边坡稳定性影响因素分析

在应力作用下,层状岩体表现出相对于均质各向同性的岩体更为复杂的力学行为,针对该种岩层采用目前广泛使用的各向同性本构模型在受力行为及变形破坏的机理上会造成较大的误差,以成都至兰州高速铁路某隧道洞口段边坡工程为研究背景,采用FLAC~(3D)自带遍布节理模型(ubiquitous-joint模型)描述层状岩体的各向异性特征,对岩体及节理面的稳定性影响参数进行强度折减并分析其与边坡安全系数的关系。结果表明:边坡的整体安全系数F随节理面倾角呈先减小后增大再减小的趋势;岩体与节理面的黏聚力、内摩擦角的相对值大小影响边坡安全系数的变化规律,而与绝对值大小无关,并且均在安全系数最低的30°倾角表现更高的敏感性,层状岩体的剪胀性对边坡安全系数的影响与节理模型的范围和岩体与节理面的内摩擦角相对值有关。     

随机形貌岩石节理剪切破坏分析

基于三维高精度形貌扫描技术和节理剪切试验及数值模拟,研究随机形貌岩石节理剪切的节理表面破坏过程及机理。利用自定义参数(节理面破坏量Vd、破坏增量Vd-inc)定量分析节理面破坏过程,并基于节理表面破坏特征将随机形貌岩石节理剪切破坏过程细化为6个基本阶段。研究结果表明:节理表面破坏开始于破坏起始阶段,主要发生在整体破坏阶段,节理面整体破坏阶段的破坏量占整个剪切过程总破坏量的70%以上。节理表面破坏主要为剪胀伴随凸起体顶部剪断和沿凸起体根部剪断,前者比后者更迅速。节理面凸起体根部易产生拉伸裂纹,但整体破坏形式以剪切破坏为主。     

硬-软互层层厚构造影响隧道围岩开挖损伤研究

研究目的:在实际地质环境中,隧道开挖所表现出来的各种变形破坏都是各种因素综合影响的产物。但顺层构造由于其分层特性和结构形式的特点决定了在这样的地质环境中开挖隧道,其围岩受力之后的变形和破坏具有一定的特殊性。本文以拟建某高铁宝云隧道为例,就硬-软互层顺层构造作用下隧道围岩开挖损伤变形开展数值模拟分析评价,主要研究不同岩层厚度影响下的隧道围岩变形、围岩屈服渐进性及稳定性,并给出强度折减至极限状态时硬-软互层组合隧道的变形破坏模式。研究结论:(1)薄层弯曲变形是不同岩层厚度构造作用下硬-软互层顺层隧道开挖的主要变形形式,厚层围岩虽体现出了较明显的滑移,但变形量值较小,隧道支护设计时应考虑岩层厚度控制的该变形特点;(2)硬软互层组合屈服区主要沿顺层面向软岩展布,层厚越小,屈服范围越大,以0.2 m层厚顺层向屈服区为典型,层厚超过0.4 m后,拱腰顺层面屈服区迅速减小,且随厚度增大,两个方向屈服区不断减小;(3)强度折减条件下,层厚超过1.5 m后,稳定安全系数趋于定值,围岩强度主要受软岩自身控制,受硬-软组合结构影响程度降低;(4)岩层厚度较小时,隧道围岩变形模式以岩层弯曲为主,随岩层厚度的不断增大,变形模式逐渐转变为顺层滑移为主、滑移与弯曲并存;(5)本研究成果对促进该高铁的顺利建设具有理论意义和工程价值。     

裂隙岩体结构面直剪特性与参数反演试验

为准确获取裂隙岩体工程中结构面的力学参数,以细观岩石力学理论和岩石结构面的数字精细化测量为基础,运用PFC~(2D)颗粒流软件,建立铜坑矿锌铜矿体裂隙结构面的精细数值仿真模型,开展节理岩石直剪数值模拟试验。实现岩体结构面的剪切力学参数的反演与预测,获得铜坑矿裂隙节理结构面的抗剪力学参数。研究结果表明:由于结构面平滑,在裂隙结构面的直剪数值模拟试验过程中,主要形成剪切滑移破坏;铜坑矿裂隙结构面的黏聚力为0.45 MPa,内摩擦角为35.8°,其反演的数值计算结果与本地区高峰矿的无厚度节理面试验数据相似度高,试验结果可为岩体结构面参数的工程应用提供基础参数。     

西秦岭隧道岩体精细化描述及关键块体研究

裂隙岩体节理滑移、张开是隧道坍塌失稳的关键因素,一直是工程界关注的焦点。采用现场测量、解析法和数值模拟,进行西秦岭隧道节理岩体精细化描述,确定关键块体。根据现场工作面岩体信息,绘制赤平投影、节理密度图,确定岩体优势节理面(组数及倾向、倾角)。通过块体理论中的赤平投影法解析围岩稳定性,提出西秦岭隧道关键块体以及失稳趋势,建议采用非对称的局部加固方法,可有效控制围岩稳定性。     

岩溶区隧道下穿居民聚居区沉降变形规律研究

为研究岩溶区隧道下穿居民聚集区的沉降变形规律,采用数值模拟方法,分析了下穿隧道施工效应产生的地层变形对建筑物的影响。结果表明:(1)隧道下穿施工时地层产生了向居民聚集区中心方向的位移,且下穿居民聚集区时地表水平位移影响范围相比无居民区增大25%,但水平位移峰值相比无居民区时减小15.8%;(2)隧道下穿施工造成完全处于隧道正上方的建筑主要发生整体沉降,倾斜率较小,而处于隧道边界线上的建筑物沉降值较小,但倾斜率较大,此外建筑物倾斜率并非随施工一直单调增加,而是处于动态变化之中;(3)隧道下穿施工时处于隧道正上方建筑物基础与地表交界处易发生剪切破坏,应采取注浆加固和超前地质预报等综合措施。研究成果可为今后隧道下穿建筑群的设计和施工提供参考。     

裂隙岩体隧道爆破设计方法及应用

钻爆法开挖是隧道工程开挖的重要方法之一,且天然岩体中赋存大量节理裂隙,会对隧道爆破质量产生严重的影响,目前隧道爆破设计方法仍以经验法为主,且缺乏对节理裂隙的考虑。本文通过使用新型地质扫描仪进行裂隙确定并研究了裂隙岩体隧道爆破设计方法,包括炮孔布置、装药量计算、起爆方式选择等方面,并以华家山隧道DK142+201.3上台阶为试验断面进行现场应用,验证了设计方法的可行性和有效性。现场测试结果表明,本文提出的裂隙岩体隧道爆破设计方法可以提高爆破效果,降低爆破对周围环境的影响,为类似工程提供参考。     

岩体边坡锚注加固模拟试验研究

通过对层状岩石边坡锚注加固模拟剪切试验的研究,对比分析各种结构节理剪切力—剪切位移全程曲线的特点;阐述节理剪切破坏各个阶段的细观过程及不同节理的抗剪切强度和抗剪切刚度的特征。研究表明:锚注加固节理面抗剪切强度并不等于锚杆和胶结面抗剪切强度之和,其强度同步发挥的程度与锚杆钢筋的取材及钢筋配筋率有关;边坡锚注加固后,节理由原来的摩擦型节理和加锚柔性节理变为锚注刚性节理,由于节理的变形减小,可以有效地控制边坡的位移量;锚注节理的抗剪切强度随锚杆与节理面夹角的增大而减小,两者呈反比关系;当剪切力方向与锚杆倾向相同且在锚杆与锚注节理面夹角从90°到30°的变化过程中,锚注节理的抗剪切强度逐渐增大,表现为节理面的C值和φ值逐渐增大。