裂隙岩体隧道支护受力变形分析及锚杆参数设计建议

隧道穿越节理裂隙发育岩体时,支护形式、参数与节理发育产状密切相关,宜针对性设计,而不是简单的套用规范推荐参数。依托贵州独平高速公路在建隧道工程,通过数值计算分析了不同节理发育程度下结构受力变形特性,结合现场试验及监测提出了锚杆支护参数的设计建议。研究表明,对于独平高度公路控制性隧道工程,Ⅲ、Ⅳ级围岩可采取局部锚杆,V级围岩可取消系统锚杆,但必须施作超前小导管和锁脚锚杆。     

水平砂泥岩隧道锚杆支护变形和受力特性研究

为了分析水平砂泥岩隧道锚杆支护效果,以段家坪隧道为例,通过数值模拟和现场监测,对隧道拱顶沉降、锚杆轴力和初期支护与围岩接触压力进行研究。结果表明:锚杆长度达到3 m,锚杆间距达到1.5 m后,继续增加锚杆长度和减少锚杆间距对于隧道拱顶沉降的控制作用不再明显;隧道拱部锚杆轴力较大,隧道拱腰和拱脚处锚杆受力较小;随着水平砂泥岩隧道围岩强度的降低,拱部锚杆轴力不断增大。围岩强度越低,锚杆能够更好发挥控制围岩变形的作用。     

软岩地层隧道支护体系受力特征研究

该文以客运专线贵广线三都隧道为依托,采用现场试验方法,研究贵州地区炭质板岩软弱地层隧道施工过程中围岩变形特性、围岩压力,以及支护结构受力特征。现场精细化描述三都隧道掌子面炭质板岩节理信息。研究结果表明:隧道拱顶下沉和水平收敛较大,提前施作二次衬砌可有效抑制大变形及其引起的坍塌。围岩压力以竖向为主,拱顶锚杆轴力最大,建议加长拱部锚杆长度,边墙锚杆参数不变。二次衬砌拱顶和拱脚衬砌处于大偏心抗裂力学状态,成为结构关键控制截面,建议加强拱顶内侧、墙脚外侧配筋,提高结构整体安全性。     

黄土隧道洞口段支护结构的力学特性分析

为了解浅埋偏压黄土隧道洞口段支护结构的受力状况,对刘家坪2^#隧道洞口段围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、纵向连接筋应力、锚杆轴力及拱部下沉进行施工监测,并采用有限元法对隧道支护结构进行计算分析。结果表明：在浅埋偏压条件下,黄土隧道拱部发生了平面偏移,拱顶下沉量大于净空收敛量;围岩压力分布呈不对称猫耳状;钢拱架左侧轴力大于右侧轴力,总体受力很大,在支护体系中作用很明显;拱部和边墙喷射混凝土处于受压状态,而底部多为拉应力;拱部系统锚杆对结构的稳定性作用不大,而锁脚锚杆对结构的稳定性有一定的作用;纵向连接筋受力非常大,对隧道整体的稳定性很有利;应取消黄土隧道洞口段系统锚杆,采用由钢拱架、钢筋网、锁脚锚杆、喷射混凝土、纵向连接筋组合形成的初期支护结构。     

富水断层破碎带大断面隧道设计与快速施工

为解决石峡隧道穿越F7断层及其次生断层影响带、实现快速施工满足通车工期要求的目的，通过数值计算、现场监测等手段，对超前支护、初期支护、锁脚锚杆措施进行了优化，优化措施在工程应用中取得了良好的效果。实践证明： 自进式管棚集钻进、注浆、支护于一体，增强了围岩的稳定性并大幅提高了超前支护施作效率；管棚保护下的两台阶快速开挖方法可实现初期支护的早封闭、少扰动，大幅提高了施工进度；不同角度、长度锁脚锚杆对拱顶沉降、周边收敛的影响规律，应结合围岩与衬砌变形规律选取合理的设计参数；管棚保护下的两台阶快速开挖方法及R51锁脚锚杆有效控制了围岩稳定和初期支护变形。     

考虑岩体蠕变特性的片岩大变形隧道初期支护力学效应

以某隧道V级围岩试验段为工程背景,采用现场测试和数值分析手段,对比支护形式进行基于黏弹塑性的三维变形、受力分析,获取了锚杆、喷射混凝土及钢支撑等初期支护结构的受力特征以及围岩变形规律.分析表明:在云母片岩地层隧道中,大变形主要表现为剪切破坏特征,3种支护形式对围岩的变形都有一定控制作用,但顶部系统锚杆对控制塑性区的影响作用甚微;锚杆及其他初期支护受力最大的区域均位于边墙下部和拱脚位置,提高喷层厚度和钢架刚度能减缓变形速率,但过大的刚度也使得结构内力大大增加.因此,为控制云母片岩隧道过度变形,应增强边墙与锁脚锚杆以提高初期支护成环效应,适当的提高钢架的刚度,必要时提前施作二次衬砌.     

黄土隧道网喷支护结构中锚杆的作用

为了检验锚杆在黄土隧道中的作用,在某黄土隧道中设置有系统锚杆和无系统锚杆2个长为30 m的试验段,对隧道初期支护的净空收敛、拱部下沉、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力进行监控量测。研究表明:2个试验段无论从变形还是受力上讲,同类数据均处于同一量级,说明系统锚杆对结构的稳定性作用不大;网络钢架、喷射混凝土、钢筋网共同组成的支护结构是合理的黄土隧道初期支护结构;取消系统锚杆,可以及时喷射混凝土,有利于围岩稳定,从而大大缩短工期;以Ⅳ级围岩为例,取消系统锚杆可降低工程造价10.6%。     

松散堆积体隧道围岩变形特征及围岩加固技术研究

为了探究松散堆积体隧道的围岩变形规律及有效的围岩加固措施,以九绵高速五里坡隧道为工程依托,首先基于现场资料建立数值模型进行施工动态模拟,研究松散堆积体隧道的变形特征并与现场监测情况进行对比分析;然后依据数值模拟结果提出适宜的围岩加固措施,并应用于现场试验段验证其有效性。结果表明:松散堆积体地层开挖时对掌子面后方地层沉降、周边收敛的影响范围为6～10 m,加强此范围内的超前预加固对围岩变形控制有较好的效果;当前断面开挖时,水平收敛及拱顶沉降会出现明显突变,初期支护、系统锚杆及锁脚锚杆应在开挖后第一时间施作。五里坡隧道现场试验段采用加强超前小导管及锁脚锚杆参数并结合地表帷幕注浆的联合加固措施后,围岩变形得到了有效控制。     

粉细沙地层隧道双导洞超前法施工现场监测分析

桃树坪隧道是兰渝铁路线建设的重点隧道,在富水粉细沙地层条件下施工极易引起流水涌砂和沉降过大等工程问题。以桃树坪隧道3号斜井的施工技术和监测方法为出发点,把隧道施工中围岩压力,初期支护与二次衬砌接触压力和锚杆轴力的监测工作作为重点,以此来分析和研究粉细砂地层隧道施工时围岩的稳定性,变化规律等特点。施工经验及分析结果表明:(1)初支对于围岩变形有很好的遏制作用,虽然监测断面各个测点的围岩压力差别较大,但最终都慢慢趋于稳定状态;(2)应力监测的分析结果的变化规律具有相似性,都以"急剧变大→缓慢变化→趋于稳定"的过程来变化;(3)通过锚杆轴力的分布,以及对锚杆受力的分析,证明了隧道施工中选用的锚杆的支护参数是有效合理的;(4)采用的底部双洞先行法的施工工法是可行的,对于围岩的稳定性有较好的效果。     

浅埋双侧偏压小净距隧道开挖稳定性分析

为了研究浅埋双侧偏压小净距隧道开挖后围岩变形及支护结构受力分布规律,以某高速公路隧道为依托,采用数值分析方法对小净距隧道左右洞开挖支护完毕后的围岩塑性区分布、竖直和水平位移分布,以及初期支护结构的弯矩、轴力和剪力进行研究和分析。研究结果表明:浅埋偏压小净距隧道开挖后塑性区主要分布在隧道左右洞的两侧拱脚处,拱顶处竖向位移最大,拱腰处水平位移最大;初期支护结构在边墙处的弯矩和剪力均较大,轴力在拱腰处最大。建议该类型隧道设计与施工时需加强对隧道边墙及拱脚处的支护,并加强隧道内空变形监测。     

高含水量土质隧道不设系统锚杆的试验研究

鉴于土质隧道施工方法、支护时机、施工工艺等对系统锚杆支护效果的影响,及高含水量土层中锚杆成孔困难、注浆效果差、抗拉拔力低等缺点,提出在高含水量土质隧道中不设系统锚杆,初期支护采用“型钢拱架＋喷射混凝土＋钢筋网＋锁脚锚管＋纵向连接筋”组成的新型支护结构。为了评价这种新型支护结构的受力、变形特性以及衬砌结构的可靠性,在天恒山隧道Ⅵ级围岩段设置了两个监测断面,对隧道初期支护的拱部下沉、净空收敛、围岩压力、喷射混凝土应力、型钢拱架应力、纵向连接筋应力等进行监控量测。监测结果表明,不设系统锚杆时,隧道支护结构的变形和受力均在允许范围之内,初期支护工作状态良好。不设系统锚杆,可缩短工期和降低工程造价,具有着显著的经济价值和社会效益。     

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。     

小净距隧道施工的平面数值模拟

结合九岭隧道的设计及施工实践,建立小净距隧道的平面计算模型,对小净距隧道进行开挖支护数值模拟计算,并着重对其位移场、应力场、喷射混凝土初期支护、锚杆轴力进行数值分析,结果表明:由于围岩较好,开挖后整体稳定性较好,变形主要集中在拱顶与仰拱底部,应力主要集中在隧道的拱脚处,喷射混凝土的最大弯矩值以及支护锚杆的最大轴力值都出现在隧道拱脚处,塑性区较少,主要分布在中间围岩部位,因此要重点加固此部位.     

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。     

高含水量土质隧道新型支护形式变形与受力分析

鉴于高含水量土层中锚杆成孔困难、注浆效果差、自进式锚杆抗拉拔力低等缺点,提出在高含水量土质隧道中取消系统锚杆,初期支护采用"型钢拱架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚管+纵向连接筋"组成的新型支护结构.为了评价这种新型支护结构的受力、变形特性,以天恒山隧道为工程依托,通过现场试验和有限元数值分析两种方法,对隧道拱部下沉、净空...     

杜公岭隧道衬砌结构加固方案优化研究

针对杜公岭隧道既有初期支护出现的碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀现象,采用数值计算方法分析了该腐蚀现象对病害处治措施安全性的影响,并通过测试隧道病害处治范围内衬砌结构与围岩的矿物成分确定了衬砌结构优化加固方案的范围。计算结果表明:在既有初支发生硫酸盐侵蚀失去承载能力条件下,仅置换二衬时,二衬结构拱脚、边墙关键位置的安全系数较小(最小1.44)、裂缝宽度较大(最大1.23 mm);采用二衬嵌拱方案时,二衬嵌拱结构拱脚、边墙、拱腰、墙脚等位置的安全系数很小(最小0.14);当二衬结构和初期支护同时置换,且新施作初期支护不出现腐蚀劣化时,新施作二衬结构的安全系数(最小2.23)和裂缝宽度(最大0.14 mm)。衬砌结构和围岩的矿物成分测试结果表明:碳硫硅钙石在既有衬砌结构中已广泛分布或正在侵蚀。依据数值计算与矿物成分测试成果,杜公岭隧道病害处治区段内的二衬与初支全部采用置换为抗硫酸盐混凝土结构,围岩采用锚杆进行加固,对于未设仰拱断面均增设仰拱支护。经施工后检测与长期监测,杜公岭隧道衬砌结构加固方案的处治效果良好。     

大跨度隧道非均质围岩地段应力监测分析

依托某大跨径三车道公路隧道,选取Ⅳ级破碎围岩段,对围岩压力、锚杆轴力、周边收敛进行现场监控量测,结果显示最大钢拱架围岩压力为30 kN、最大锚杆轴力为90 kN,表明在初期支护结构中,锚杆、钢拱架和围岩自身都起到了较好的协调变形、共同支撑围岩压力的作用;当监测断面距离掌子面20～25 m时,绝大部分压力盒测得的围岩压力在初始阶段增长较快,之后逐渐趋于平缓;同一测试断面,围岩较完整、稳固一侧的钢拱架围岩压力较小,围岩稳固性差一侧的钢拱架围岩压力较大,表明该断面围岩水平位移主要来自围岩稳固性差的一侧;左侧测力锚杆、拱顶测力锚杆的全部测点均处于受压状态,而岩性相对较软的右侧测力锚杆除接近隧道洞壁处的测点受压外,其他3个测点均受拉,这对隧道稳定性是不利的;短掘短支,释放地压与控制围岩变形,采用台阶法施工大跨度公路隧道是可行的.     

软岩隧道初期支护沉降机理及其工程措施研究

为解决软岩隧道开挖过程中初期支护整体下沉普遍较大的工程难题,依托郑州至西安高速铁路大断面黄土隧道及成昆铁路第三系昔格达地层软弱围岩隧道工程,通过理论计算及现场实测,对软弱围岩隧道初期支护普遍沉降较大的原因以及采取的工程措施的可靠性进行分析,得到以下成果： 1）软弱围岩隧道下沉量往往超过20 cm,现场实测的拱脚承受最大荷载为897.4 kN,初期支护整体下沉大的主要原因是拱脚压力较承载力大一个数量级; 2）锁脚锚杆靠近钢架位置的轴力最大,为55 kN。大拱脚的承压特性显著,其压力极值达到0.9～1.7 MPa; 3）增设锁脚锚杆（管）、扩大拱脚和及时闭合仰拱是控制软岩隧道初期支护沉降的关键措施。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

不同围岩级别下隧道锚杆轴力现场测试及变化机理分析

文章结合依托工程桑郎隧道,对不同围岩等级条件下的锚杆轴力进行了系统测试,得到了其轴向力的分布规律,及其随时间的变化规律。测试结果表明:锚杆轴力受到多种因素的影响,在不同围岩等级条件下,其轴力分布的表现形式有较大的差异。围岩内部应力的调整可以划分为2个阶段,一是在初期支护体系作用下,围岩变形达到基本稳定的阶段,二是围岩内部应力逐步调整的阶段。其中第二阶段完成需要较长时间。这主要体现在轴力稳定所需时间较围岩变形所需时间长。初期支护结构强度达到设计强度后,随着围岩内部应力逐渐调整,其承担了一部分转移围岩压力,锚杆轴力出现逐渐减小的现象。这表明,锚杆在初期支护结构发挥作用前,对维持围岩稳定起到了关键作用。