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。     

支护结构对千枚板岩隧道围岩稳定性的影响研究

隧道支护结构对控制围岩变形、保障施工安全至关重要。为研究支护结构参数对围岩稳定性的影响,文中以九绵高速桂溪隧道为依托,使用midas GTS建立隧道模型,针对支护结构参数对千枚板岩隧道围岩稳定性影响进行研究,研究初期支护喷射混凝土厚度、锚杆尺寸、排距和环形间距,以及管棚支护布设范围和注浆厚度等支护参数。结果表明,在一定范围内,增加喷射混凝土厚度、提高锚杆长度、减小锚杆布设排距、减小锚杆环形间距、增大管棚支护施作范围,以及合理选择注浆厚度均能提高隧道围岩稳定性。     

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。     

裂隙岩体中渗流作用对隧道围岩稳定性的影响分析

隧道穿越节理裂隙发育地质环境时，水压力以及节理裂隙发育程度会对开挖后围岩的稳定性产生影响。以某隧道为工程背景，运用离散元理论，考虑流固耦合作用，分析了水位高度和节理法向刚度对隧道开挖后洞周位移收敛、围岩剪应力及塑性区、支护结构受力的影响。计算结果表明:在一定范围内，水位高度和节理法向刚度越大，围岩塑性区的范围越小，衬砌结构受到的内力越小，隧道越安全。     

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。     

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.     

米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性研究

通过对实测数据分析可知,米拉山隧道凝灰岩遇水软化对围岩的变形影响很显著,为此,采用数值模拟方法对米拉山隧道凝灰岩开挖与支护力学特性进行了研究,获得了在不同时期围岩遇水软化和各分步开挖阶段围岩的位移、应力场变化规律,支护衬砌结构的变形、应力分布及内力分布情况。围岩遇水软化后,由于隧道的变形,锚杆与围岩发生相对滑动,锚杆嵌入隧道围岩,隧道变形大的部位也是锚杆受力大的部位,同时该部位锚杆与围岩的相对滑动也最大。隧道下台阶一次性开挖后施作的锚杆受力左右成对称分布,下台阶左右分步开挖施作的锚杆受力成不对称分布,后面施作的锚杆受力小于前面施作的锚杆受力。隧道围岩遇水软化后初期支护发生整体下沉,沉降量由拱脚向拱肩逐渐增大,拱顶沉降相对小于拱肩沉降;通过对不同阶段隧道围岩遇水软化下二次衬砌和仰拱的受力分析,发现在围岩软化的情况下进行隧道的开挖时,下台阶一次性开挖、仰拱一次性施作对隧道的安全性和稳定性方面都有提高,并得出不同阶段隧道围岩遇水软化隧道在后期运营阶段均处于安全状态。     

大跨度隧道初级支护中锚杆的受力特性研究

由新奥法隧道设计理论可知,锚杆是通过其轴向拉力来实现对围岩的加固作用的,也就是说锚杆发挥其锚固作用是利用其抗拉特性。为了深入了解高速公路大跨度隧道锚杆的实际受力特征,以邢汾高速公路邢台段某隧道为例,对其Ⅳ级围岩深埋段选定一处典型监测断面,采用现场监测的手段对锚杆的受力状态进行监测。监测结果显示:3根测力锚杆在其内部的大部分测点均承受压力。这一监测结果与理论上锚杆受拉完全相反,锚杆承受压力是不能发挥支护作用的;其余少数测点承受拉力,最大实测拉力约为7 k N,该值仅占到锚杆可承受最大设计拉力92k N的7.6%。可以认为,某隧道在该监测断面处系统锚杆发挥的抗拉性能极其有限,几乎起不到应有的支护作用,这对修改现有隧道围岩支护设计规范提供了数据支持。     

岩层产状与隧道开挖变形机理研究

地质构造对隧道施工影响很大,隧道穿越不同的地质构造单元时,开挖后的隧道围岩受地应力的影响出现变形,影响隧道的稳定性。文章对普氏理论分析隧道开挖时岩体压力拱(平衡拱)影响因素进行分析,对隧道穿越不同产状岩体的变形机理进行讨论,综合分析隧道围岩的地质情况,提出预测和预报重点,从而有针对性的对隧道进行预加固,提高隧道的稳定性。     

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。     

软弱围岩浅埋连拱隧道力学特征测试与分析

为研究软弱破碎围岩浅埋连拱隧道支护体系力学特性,以某连拱隧道为依托,采用钢弦式传感器,对围岩压力、锚杆轴力、钢支撑内力、二衬受力及中墙内力等进行系统测试与分析。结果表明,拱部两侧拱腰位置围岩压力较大,呈"猫耳朵"分布。受地质和施工因素等的影响,拱部围岩压力实测值与公路隧道设计细则计算值相差较大。中墙底部及两侧边墙底部基底压力大。正洞锚杆轴力量值很小,建议取消正洞锚杆。侧导洞锚杆作用明显,根据围岩情况可以保留。钢拱架受力最大位置在拱腰处,拱顶处钢拱架承受拉应力,其他部位为压应力,部分拱架受力接近屈服,型钢拱架作用十分明显。中墙顶部钢筋计受拉,其余位置受压,中墙上部受力较下部敏感。左右线先后应力释放对中墙有一定的"纠偏效应",但中墙受力始终处于偏压状态。     

胡麻岭隧道不同产状裂隙岩体稳定性及支护力学特性

依托“兰渝客专”胡麻岭隧道工程,研究不同岩层产状（倾角）围岩稳定性,以及支护结构力学响应。结果表明:节理面极大降低隧道围岩稳定性,节理面物理力学性质是隧道围岩失稳的控制性因素;竖向节理隧道失稳以冒顶、坍方为主;当岩层为水平时,其支护结构受力分布合理;倾斜产状节理岩体支护结构受力呈现明显偏压现象;隧道边墙相对稳定,围岩锚杆加固有效长度3 m,拱顶要提高设计参数,有效促进“拱效应”形成,确保隧道稳定性。     

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。     

堆积体隧道围岩及支衬体系空间力学特性

为研究堆积体隧道围岩和支衬体系受力空间变化规律,采用三维弹塑性有限元法模拟隧道施工过程,得到了洞室周边围岩和支护结构应力随掌子面开挖的变化过程。结果表明,隧道开挖对不同部位围岩扰动大小存在较大差异,扰动后拱部围岩应力强度较小,拱脚和边墙围岩应力强度最大,仰拱围岩应力波动较大但量值总体偏小;管棚在隧道开挖前后受力状态发生明显改变,支护和衬砌过程中有微小波动;拱部系统锚杆对于维持围岩临时稳定发挥了一定作用,但其作为永久支护对围岩长期稳定作用不大,锁脚锚杆在下台阶开挖以及隧道长期稳定方面均发挥了重要作用;初支拱部受拉、边墙和拱脚受压显著,其中拱腰、拱脚分别为拉、压控制性截面;与钢筋混凝土强度相比,二衬受力较小,具有较大的强度储备。     

岩层倾角与隧道走向间关系对大断面隧道围岩稳定性的影响

针对大断面隧道拱顶围岩的稳定性,运用普氏理论确定大断面隧道拱顶围岩平衡拱高度,获得支护结构拱顶荷栽计算依据,通过分析隧道不同走向条件下岩层节理倾角护对顶平衡拱内层状围岩应力状态的影响,研究θ对隧道拱顶围岩稳定性的影响。结果显示,岩层呈水平产状时,隧道内拱顶围岩易发生掉块,隧道不同走向对隧道内应力重分布无差异性影响;岩层倾斜、隧道走向与岩层走向相同时,拱顶围岩的稳定性随口增大而减小;隧道走向与岩层走向垂直时,拱顸围岩的稳定性随口增大而增大;上三角组合节理条件下开挖隧道,拱顶裂隙呈闭合状态,褶曲轴面下固岩需加强支护;倒三角组合节理情况下,拱顶裂隙呈张开状态,拱顶易发生小型掉块。     

水平泥岩砂岩互层隧道支护体系力学特性试验研究

公路隧道穿越水平泥岩砂岩互层施工过程中支护体系力学特性较为复杂,通过开展大梁峁特长公路隧道水平泥岩砂岩互层段支护体系现场试验,研究水平泥砂岩互层段隧道初期支护中的锚杆轴力、围岩压力,钢架应力、混凝土应力及支护变形,二次衬砌中接触压力和混凝土受力特征。分析表明：拱部锚杆作用明显,边墙锚杆受力较小,建议锚杆由拱部160°减少至拱部120°,同时适当增加拱部锚杆;围岩压力在断面开挖后7d时间内已基本达到最大围岩压力的80％左右,说明在该种岩层中隧道开挖后围岩压力释放较快;水平泥岩砂岩互层关键控制点在拱部位置,边墙部位的支护结构无论从受力还是变形来说均较小;研究成果可为水平层状岩层隧道及类似工程的修建提供参考。     

全粘结型锚杆加固隧道掌子面强化机理研究

针对目前我国城市隧道和客运隧道建设遭遇软弱围岩时塌方事故频繁发生的状况,对全粘结型锚杆插入掌子面前方待挖核心土体注浆后可以有效地提高加固体的黏聚力C、内摩擦角以及弹性模量E,提高掌子面前方待挖核心土体的整体强度和刚度、抑制地表沉陷,提高掌子面的稳定性的特性进行研究,分析全粘结型锚杆加固掌子面的强化机理,旨在获取全粘结型玻璃纤维锚杆加固掌子面提高待挖核心土体黏聚力C、内摩擦角以及弹性模量E的幅度,避免隧道频繁发生塌方事故。通过在浏阳河隧道的现场试验应用表明:全粘结型锚杆能够有效地提高掌子面前方待挖核心土体的整体强度,保证隧道施工过程掌子面及其周围围岩的稳定性。     

隧道锚杆支护研究综述

围岩支护结构的计算与设计越来越受到业界重视,如何充分利用围岩的自稳承载能力成为研究的热点,锚杆支护作为主动支护,既允许围岩的适当变形又提高了岩体的承载能力,使围岩的稳定性得到充分发挥。文章阐述了锚杆锚固机理,介绍锚杆最新材料、锚杆结构、锚固材料及锚固耐久性方面的研究现状,重点关注实际应用中隧道锚杆支护与优化应用,并针对不同的围岩情况,提出采用合理锚杆支护能够更有效地改良围岩的应力应变特征。本研究可为同类工程提供借鉴。     

初次支护结构对围岩塑性区和位移的影响研究

为了探索初期支护对隧道围岩稳定性的影响,采用岩土工程三维有限元分析软件Z_Soil3D对隧道施工中锚杆和钢架的作用进行了模拟分析。计算结果表明:增加锚杆长度或钢架惯性矩,围岩塑性区厚度和围岩位移都减小,锚杆长度及钢架惯性矩存在优化值,当锚杆长度或惯性矩超过优化值后对进一步改善围岩稳定性的作用不明显;永久钢架主要起拱的作用,其内力以轴向压力为主,在节点处存在局部弯矩,永久钢架构件内力与施工顺序相关,最早施加的构件轴力是后施加的数倍;临时钢架为压弯构件,存在较大轴力和弯矩,水平和竖向临时钢架的弯矩相差不大,2层水平钢架构件的轴力相差较大,竖向构件的轴力与上层水平构件的轴力相当,但明显大于下层水平构件的轴力。     

胶州湾海底隧道注浆施工技术研究

胶州湾海底隧道海域段隧道轴线穿越两组断裂带、9条断层,断层及其影响带裂隙发育,地下水丰富且受海水补给。注浆技术的研究是为探讨快速注浆工艺,确保注浆质量。根据不同的围岩条件,文中采用不同的注浆方式,使围岩加固与防水效果明显改善,既提高了施工进度,又确保了工期和施工安全。