让压(组合)锚杆在挤压大变形隧道中的力学特性试验

全长黏结型长锚杆作为一种被广泛应用于治理挤压大变形隧道的支护措施,常因围岩变形过大,发生杆体断裂和垫板屈服等现象。为此,提出一种可自进式让压(组合)锚杆,通过在部分杆体上外套光滑套管形成无黏结段,使该无黏结段先于锚固系统破坏前“屈服”伸长,实现了长锚杆在全长灌浆条件下的“让压”,提升了锚固系统的整体稳定性。以新建木寨岭公路隧道为工程依托,采用自进式施工工艺,开展了全长灌浆下的10 m全长黏结锚杆和10 m让压(组合)锚杆的对比试验。试验结果显示：全长黏结锚杆轴力200 kN,超过杆体屈服荷载,且垫板在支护初期(4～5 d,围岩位移75 mm)即出现明显屈服,锚固系统整体稳定性差、可靠性低;让压(组合)锚杆因存在无黏结段,杆体轴力和垫板应力均出现下降,最终保持在一个较低的量值(130 kN和190 MPa),实现了全长灌浆型长锚杆的大尺度支护。研究成果可为大变形隧道中长锚杆的选型提供借鉴。     

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。     

让压锚杆让压管长度的解析设计方法

为确保让压锚杆在高地应力软岩大变形隧道中起到良好的让压性能,保证围岩释放变形能的同时能有效保持围岩的稳定性,基于锚杆中性点理论,在分析围岩与锚杆的相互作用时考虑让压管的让压效应,假定由让压变形量引起的相对拉伸变形量沿隧道半径符合双曲线的变化规律, 通过建立锚杆中性点两侧轴向拉力的平衡方程,推导全长锚固让压锚杆的内力计算公式。结合昆宜高速万溪冲隧道工程,得到让压锚杆的轴力分布情况及其随让压管长度的变化规律： 锚杆最大轴力随让压管长度的增加而减小,而轴力的分布形式变化不大。在此基础上得出让压管合理长度范围的设计准则： 由锚杆抗拉极限轴力确定让压管长度的下限值,以保证让压锚杆不因拉断而破坏; 根据隧道洞壁处锚杆受到的黏结摩阻力确定让压管长度的上限值,以确保锚杆中性点理论假设始终成立。     

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、...     

高地应力软岩隧道分级让压支护结构的力学特性分析

针对高地应力软岩隧道中让压支护结构让压量小、协同性差等不足,基于合理释放围岩应力及协同变形机理,提出了具备两阶段让压功能的隧道分级让压支护结构。根据两阶段变形特点,基于荷载结构法,建立了分阶段力学简化计算模型,揭示了让压结构变形与围岩压力间的相互关系。此外,通过收敛约束法建立数值分析模型,对比强支护和让压支护时的围岩变形特点,揭示了让压支护结构应力分布规律。结果表明：让压点决定了结构进入让压阶段的时机,让压点过小将导致结构急速失稳,不满足围岩的早期变形控制要求,让压点过高则不利于结构让压变形的完全释放,延缓结构稳定时间,影响围岩稳定;增大让压量可显著释放围岩应力,降低结构受力,保障支护结构的稳定性。合理调控两阶段的让压量分担,可提高内拱架的稳定性,减小内拱架的应力集中,提高结构承载能力。所提出的分级让压支护结构通过两阶段让压达到提高让压量、释放围岩应力、减小结构受力的目的,保障了隧道围岩稳定,可为高地应力软岩环境下的支护措施提供借鉴。     

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。     

锚杆防治路基基床挤出变形的技术分析

利用刚塑性理论分析了软弱围岩路堑基床挤出的变形机理,推算了锚杆支护参数的计算方法,并将其应用于工程实践,实例表明沿路堑边坡坡脚打角锚杆对防止软岩基床挤出变形有明显作用。     

隧道软弱围岩挤压大变形非线性流变力学特征及其锚固机制研究

介绍围岩大变形的工程实例、隧道围岩挤压性大变形的定义及其工程特征。系统总结国际上隧道围岩挤压性大变形的3种预测方法,即： 经验法、半经验半理论法和试验判定法。将Hoek（1999）对围岩挤压大变形的预测和判定方法（半经验半理论法）应用于乌鞘岭隧道岭脊段F7断层带开挖施工中的围岩稳定性判别,并对这种预测方法进行了可靠性评价,认为有支护情况下比无支护情况下变形预测失效概率要小得多,也就是说毛洞围岩变形收敛率的大小更难以掌控。介绍作者团队对隧道围岩挤压性大变形问题按三维非线性流变的理论分析、相应专用软件的研制;并将理论研究计算成果与现场实测数据进行对比,结果按大变形三维问题的计算值比按小变形二维平面问题的计算值更接近工程实际;同时,指出了有待进一步深化研讨的若干问题。最后,提出了管控/约束隧道围岩大变形持续发展的锚固技术措施--一种新型大尺度让压锚杆/预应力长锚索,分析其机制和优势,介绍其构造类型,并提出下一步的研究思路。该方法已在几处工地不同程度地成功实施,取得了应有的经济效益和技术成果。     

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。     

软岩大变形隧道二次衬砌混凝土回填量控制研究

结合兰渝铁路同寨隧道软岩大变形段施工实例,通过对典型段初期支护变形规律的研究,进而对初期支护断面进行优化设计,将初期支护断面预留变形量从拱顶到拱脚、由大到小渐变设置,使二次衬砌混凝土厚度既可满足设计要求,又不会由于初期支护预留变形量过大及实际变形不均匀而造成较大的二次衬砌混凝土回填量,从而达到降低施工投入的目的。     

软岩隧道大变形灾变区加固前后监测分析

马垭口隧道是国家重点公路杭州至兰州线重庆奉节至巫山段的一个重点和难点项目,隧址区地质条件较差。该隧道在施工过程中出现大变形灾变,根据现场实际情况,对隧道进行了加固处理。对加固前后围岩变形实测数据进行了回归分析,结果表明:所采取的加固措施效果良好,可以为今后类似工程提拱参考。     

基于有限元分析的高地应力软岩隧道蠕变特性研究

高地应力软岩隧道变形量大,变形时间长,蠕变效应显著,给隧道的设计、施工和运营带来巨大的挑战,运用数值模拟的方法,深入研究了拟建川藏铁路康定至林芝段二郎山隧道蠕变特性。结果表明:隧道的埋深越大,围岩初期的变形速率越大,隧道围岩在开挖完成后2～3个月变形趋于稳定,在埋深为1 500 m和2 000 m时,开挖完成后180天,隧道围岩有加速蠕变的趋势。     

新蜀河隧道施工大变形控制技术

为了解决隧道开挖后初期支护侵限引起多次拆换的施工难题,在总结已有软弱围岩开挖技术、支护原理、新奥法隧道支护理论和软弱隧道支护技术的基础上,结合新蜀河隧道监控量测资料,对隧道的施工方法、施工工艺、支护参数、施工中采取的主要措施和取得的施工效果等方面做了大量研究。施工中分别对三台阶法、上台阶加设临时仰拱法和中台阶加设临时仰拱法3种工法工况进行了数值模拟计算和工法试验验证,中台阶加设临时仰拱法效果最好,采用此工法后基本控制了初期支护拆换的问题,节约了施工成本,提高了工效,施工风险也大大降低。     

涨壳式预应力中空锚杆在机械化开挖大断面隧道中的施工应用研究

为了解决软弱围岩隧道机械化开挖后快速支护的难题,采用三臂凿岩台车、风动扳手等配套机具施作涨壳式预应力中空锚杆对围岩进行快速支护。通过在郑万高铁高家坪隧道软弱围岩段大断面机械化施工条件下涨壳式预应力中空锚杆的应用研究,总结出涨壳式预应力中空锚杆工作原理、工艺流程,通过注浆试验对比分析,提出适合的隧道锚杆注浆比例,并结合锚杆轴力监测和地层位移监测结果,表明该锚杆具有快速约束围岩、形成应力拱、减少围岩松动圈、保证围岩稳定的优势,能够有效保障隧道机械化施工的安全,并提高隧道机械化施工效率。     

神座隧道大变形治理措施应用研究

为解决神座隧道初支的大变形问题,根据“以放为主,限量抵抗,抗放结合,多挖少支”的原则,提出了采用限阻耗能支护结构作为大变形治理方案：1)增大预留变形量;2)在钢拱架拱腰处设置限阻器;3)在初支背后预留一定空间填充柔性材料。旨在通过限阻器和柔性材料的压缩变形对支护结构进行让压控制,以释放围岩能量。治理结果表明：1)应用限阻耗能支护实现了结构“支得住”的目标,但由于预留变形量不足及隧道左侧偏压,出现了单侧部分初支侵限的情况;2)在后续施工控制中,需根据隧道不对称变形的特征对预留变形量、柔性材料填充厚度和限阻器的可压缩量、位置等进行针对性调整,保证二衬净空。     

新乌鞘岭隧道软岩大变形悬臂掘进机施工控制技术研究

为解决新乌鞘岭隧道8号、9号、10号斜井工区正洞在千枚岩、板岩等软弱破碎岩体前期施工中出现的掌子面频繁溜塌、初期支护开裂、变形扭曲等问题,在对地质预报、监控量测和围岩松动圈等数据分析以及三台阶钻爆法施工支护存在的问题研究的基础上,采用现场试验的方法,研究玻璃纤维锚杆超前加固、超前大管棚支护、悬臂掘进机预留核心土两台阶机械法开挖工法、合理预留变形量以及增强初期支护的锁脚锚固、桁架结构加强初期支护纵向连接、径向注浆加固围岩等措施。经现场应用表明： 1）对于高地应力软弱围岩隧道,采用预留核心土两台阶大断面悬臂掘进机铣挖法施工技术是可行的,结合超前加固、支护结构补强等措施后,支护结构累计变形较前期减小一半以上,支护结构变形可控。2）采用悬臂掘进机开挖,隧道平均线性超挖量可控制在15 cm以内,相比钻爆法喷射混凝土平均超挖率由120%减小至60%,工序循环时间减少3 h左右,月施工进度由25~35 m提升至50~60 m。3）高地应力软岩大变形控制应在合理工法、合适设备、合理预留变形量和具有一定抵抗变形能力的支护结构之间找到平衡点。     

基于递进复合式组合预测模型的软岩隧道大变形预测研究

为实现对隧道大变形发展趋势的判断,达到优化现场施工,避免出现施工安全问题的目的,采用LS-SVM和优化GM(1,1)模型对隧道变形进行预测,并以误差平方和为指标,将两者的预测结果进行组合,再进一步利用BP神经网络对前者的预测误差进行修正,以实现综合预测。通过实例检验,得到最小二乘法对支持向量机的优化效果要优于对灰色模型的优化效果,且误差修正模型能进一步有效地提高预测精度,使预测值与实测值更为接近;同时,通过本文的预测结果,得到后4个周期的变形仍具有持续变形的趋势,应采取有效措施,避免工程事故的发生。本文预测模型具有较好的预测精度及适用性,对隧道大变形研究具有一定的参考意义。     

大断面软岩隧道变形特征及多层初支控制研究

以连城山大断面软岩隧道工程为依托,基于施工监测数据,对比分析了单层I22b钢拱架初期支护、单层H20b型钢拱架初期支护、双层122b工字钢拱架初期支护和双层H20b型钢拱架初期支护4种支护方案下围岩的变形规律与支护的受力特征.结果表明,单层和双层I22b钢拱架初期支护均不能控制隧道的大变形,而双层H20b型钢拱架初期支...     

东天山隧道穿越断层破碎带初期支护变形分阶段控制标准研究

为解决东天山特长公路隧道穿越F2断层破碎带软岩大变形问题,综合采用理论分析、数值模拟、现场监测与统计分析等手段,开展隧道两台阶预留核心土法和三台阶法施工初期支护变形控制标准研究,并提出隧道初期支护变形分级预警方法。研究结果表明： 1）东天山隧道穿越F2断层破碎带的预留变形量选取60~80 cm能够满足施工要求。2）对于两台阶预留核心土法,上、下台阶开挖产生的初期支护变形占其总变形量的比例建议为60%、40%;对于三台阶法,上、中、下台阶开挖产生的初期支护变形占比建议为20%、65%、15%。3）当初期支护变形未超过预留变形量、超过预留变形量但未超过5%二次衬砌设计厚度、未超过10%二次衬砌设计厚度时,分别启动Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级预警。Ⅰ级预警时正常施工,Ⅱ级预警时采取控制开挖进尺和台阶长度、及时设立护拱、尽快封闭初期支护等处治措施,Ⅲ级预警时则进一步采用短台阶或微台阶法施工。