地下水对深埋软弱围岩隧道初期支护结构破坏及其控制措施研究

针对隧道施工期间砂质板岩、炭质千枚岩及绿泥石片岩等软弱围岩在地下水作用下发生软化、剥落、坍塌,继而引发支护变形侵限、喷射混凝土软化剥落、钢架扭曲失稳等灾害,以木寨岭公路隧道2号为依托工程,通过现场试验、监控量测等手段,分析地下水对深埋软弱围岩隧道初期支护结构失稳及破坏的影响,并提出了在地下水富集区,采用高强预应力锚索支护体系代替传统约束锚杆、环向注浆锚杆以及超前小导管注浆加固围岩的支护方法,降低了混凝土注浆压力及施工难度,避免因锚杆注浆不到位形成渗流通道而影响开挖围岩及初期支护强度,并通过采用高强预应力锚索加固措施,从而提高围岩自承能力及初期支护稳定性。     

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。     

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。     

预应力锚索支护技术在高地应力大跨径隧道挑顶施工中的应用——以渭武高速公路木寨岭隧道为例

为解决高地应力软岩环境下斜井进正洞交叉口挑顶施工难题,以渭武高速公路木寨岭隧道2#斜井进正洞为工程背景,对原挑顶设计方案进行优化,基于高强预应力支护理论,提出以小孔径预应力锚索支护技术为核心的挑顶方案,取消原设计方案中的托梁和支撑梁,实现"以索代撑"。对小孔径预应力锚索支护结构和施工工艺、挑顶支护设计和实施方案进行研究,并采用该方案对木寨岭隧道2~#斜井进行挑顶施工,围岩变形监测结果表明该方案安全有效。     

木寨岭隧道炭质板岩段大变形控制技术

为解决高地应力炭质板岩隧道大变形的控制问题,以木寨岭隧道为例,从地质原因、设计原因、施工原因方面进行了大变形原因分析,通过选择合理的支护参数、采取保护围岩的施工理念,长锚杆、锁脚锚杆进行加强、优化断面形状、预留合理变形量并确定变形控制标准,适时进行支护加强、短台阶或超短台阶快开挖、快支护、快封闭和衬砌适时施作等综合施工技术,有效抑制了隧道大变形的发生。     

长时间停工条件下炭质板岩地层隧道围岩变形及支护结构补强研究

通过现场调查、围岩变形测试、支护结构图像全景展开技术,分析了不同时间隧道停工导致的围岩变形,同时对停工后支护结构质量进行了评价。研究结果表明:炭质板岩地层隧道长时间停工后围岩变形加剧,且停工时间越长,停工所导致的围岩变形越大,停工所导致的围岩变形在围岩总变形中占较大比例;停工初期,停工所导致的围岩变形速率较大,且复工后隧道再次开挖扰动易引发围岩变形加剧;停工后初支混凝土脱落严重,钢拱架压弯扭曲。根据研究结果,提出了适用于香丽高速公路炭质板岩隧道停工后支护结构补强加固措施。     

炭质板岩地层隧道施工要点及大变形防治措施

为解决兰渝铁路木寨岭隧道鹿扎斜井通过高地应力炭质板岩地段隧道防坍和变形控制,从炭质板岩的特性、变形机制以及出现变形后的处治方法等方面进行研究,得出以下几个结论：炭质板岩属软岩范畴,遇水易软化;有水地段开挖后易出现坍塌,需做好超前支护和注浆止水;高地应力炭质板岩隧道收敛持续时间长,累计变形量较大;发生变形后,可采用封闭仰拱、长锚杆、径向注浆、增设套拱等措施进行处治。     

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。     

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。     

小直径锚索在高地应力大变形隧道施工中的应用

针对乌鞘岭隧道岭脊段高地应力千枚岩大变形,提出了将一种小直径锚索应用于隧道支护结构中,取代在隧道上半断面所架设的横向钢管支撑。小直径锚索即可实现点锚,又具有有效摩擦锚固;安装快捷。索体在一定范围内自由伸缩,能满足大变形要求。     

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。     

木寨岭隧道7#斜井试验段信息化施工

为积累指导正洞的施工经验,结合木寨岭隧道斜井炭质板岩段控制高地应力大变形的方法,通过在斜井进行模拟正洞试验段信息化施工,从施工、支护、初期支护结构内力、变形发展进行分析探讨,得出采用分层分次支护、提高拱架强度、加强锚杆施作以及完善的施工工艺等措施能有效控制变形。     

挤压性大变形隧道分层初期支护适应性分析

针对挤压性大变形隧道支护参数、支护时机在设计工作中难以量化的现状,在考虑围岩流变效应和支护弹塑性本构的基础上,结合数值模拟手段,对各类支护的等效支护抗力和不同等级大变形隧道分层初期支护量化参数及适应性开展研究。得出主要结论： 1）基于抗压强度控制,提出不同组合参数下的喷射混凝土和型钢拱架等效支护抗力;基于位移等效原则,提出不同直径、不同长度砂浆锚杆和不同长度预应力锚索的等效支护抗力。2）基于监控量测曲线,对考虑流变效应的围岩物理力学参数进行反演,以此计算围岩特征曲线,实现围岩变形量值、不同支护时机所需支护抗力与时间的关联。3）根据既有案例,取单边15 cm作为单层支护极限变形值,构建支护抗力曲线;基于极限变形控制原则,提出轻微大变形可选用单层初期支护+短锚杆的支护形式、中等大变形可选用2层初期支护+短锚杆的支护形式、强烈大变形可选用圆形隧道+3层初期支护+短锚杆+长锚索的支护形式的建议,并提出不同等级大变形隧道的支护时机及预留变形量建议值。4）兰渝铁路木寨岭隧道工程应用分析结果表明,采用该方法选取的支护参数是合理的。〖JP〗     

木寨岭隧道变形分析及初期支护参数优化研究

为经济有效地控制高地应力软岩隧道施工大变形,以木寨岭铁路隧道施工为例,通过建立数值分析模型,对不同初期支护厚度、锚杆长度及钢架间距的变形控制效果进行对比分析,得出了木寨岭隧道开挖变形规律,并对初期支护参数进行了优化,可为类似地质及施工环境下的隧道施工提供技术参考。     

砂板互层岩体中隧道围岩力学特性研究

通过建立可反映互层岩体中砂岩与板岩组成、岩层倾角、岩层走向等因素变化对岩体变形影响的互层岩体本构模型,研究了砂板互层岩体中隧道围岩的力学特性。研究结果表明:岩体中板岩体积含量越高,围岩最大变形及破坏范围越大,隧道周边围岩变形不对称性也越明显,板岩结构面的内摩擦角大小对岩体变形及破坏范围影响很大,板岩沿结构面破坏为砂板互层岩体的主要破坏形式之一;砂板互层岩体的倾角变化将影响隧道周边围岩变形的对称性及破坏区域的分布,倾角在40°～60°时,围岩变形的不对称性最明显,板岩含量较高时,砂板互层岩体的最大变形随倾角的增大而降低;岩层的走向与洞轴线交角越大,围岩变形越小,隧道周边围岩变形也越趋于对称,在陡倾砂板互层岩体中,洞轴线应尽可能沿与岩层走向大角度相交的方向布置以利于围岩的稳定;随着埋深的增加,围岩变形及破坏范围均增长,因岩层倾角、走向变化引起的隧道周边围岩变形不对称性也越明显。     

包家山特长隧道富水千枚岩地段快速施工技术

结合包家山特长隧道富水段的施工,围绕“上部弧形导坑预留核心土三台阶七步开挖平行流水作业法”,从施工方案和支护参数的选择、开挖方法的确定、支护体系的形式等5个方面详细介绍了富水千枚岩隧道施工方法,总结形成了富水千枚岩隧道快速施工技术。三台阶七步流水法结合超前、径向堵水技术,有效地控制了围岩的变形,相对于国内以往千枚岩地质隧道大多采用正台阶法及大截面型钢、锚索等控制变形的施工方法来说,本施工技术具有操作简便、转换灵活、施工快捷等特点,对同类工程具有一定参考价值。     

单跨5车道公路隧道工法优化及施工力学特性研究

为解决超大断面公路隧道传统工法工序繁杂、效率低等问题,依托厦门芦澳路—海沧疏港通道2#分岔隧道大跨段(国内在建最大断面公路隧道),利用"以索代撑"的思想,并结合围岩强度高的特点,提出主动支护的钢架岩墙组合支撑法并对其进行工法优化。通过岩石三轴压缩试验和Hoek-Brown估算方法获得围岩力学参数,并采用数值计算的方法验证该工法的合理性,确定预应力锚索长度为10m,预应力值为1000k N,同时对其施工力学特性进行研究。结果表明:围岩变形主要发生在岩墙((5)分部)开挖前,且以竖向变形为主,上台阶开挖是引起隧道拱部沉降和仰拱隆起的主要原因;在预应力锚索的作用下,隧道岩墙((5)分部)的开挖和中隔壁的拆除对围岩变形和初期支护内力影响较小;初期支护拱脚处压应力集中,拱顶和仰拱处受到较大的拉应力;隧道围岩变形及初期支护承载力均满足公路隧道施工安全要求。     

板岩隧道顺层塌方分析及预防失稳措施研究

为避免板岩隧道围岩楔形体掉块和顺层塌方的发生,针对板岩的力学性质和变形特性,从隧道施工方面对板岩隧道围岩的工程特性和易形成塌方的地质构造类型进行总结,并以半山隧道初期支护长段落顺层塌方为例进行深入的分析和研究。结果认为:当顺层构造岩层和节理产状与隧道走向夹角较小、多组节理相互切割与岩层面形成不利结构面组合长段落斜穿隧道时,受施工开挖爆破震动、地下水浸润、重力作用以及大断面开挖形成临空面的影响,围岩及支护结构局部薄弱处出现失稳破坏,由于牵引作用不断扩大并持续发展造成较长段落的坍塌。最后,提出了顺层构造、节理密集带和隧道开挖后不利结构面组合对围岩稳定性的影响分析方法,针对板岩地质隧道施工提出了预防围岩失稳的措施和支护结构的优化措施。     

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。     

极高地应力软岩隧道贯通段变形控制方案研究——以兰渝铁路木寨岭隧道为例

为了解决极高地应力软岩隧道越岭核心贯通段大变形控制难题,以兰渝铁路木寨岭隧道施工为例,通过现场试验和数据分析,得到如下结论:1)确定了越岭核心贯通段的长度;2)提出了越岭核心贯通段"4层初期支护结构+径向注浆+长锚杆+长锚索"综合变形控制方案;3)得到了贯通段多层初期支护结构变形控制效果;4)说明贯通段施工及变形控制方案可行。