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。     

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。     

基于Midas/GTS的隧道变形控制措施和开挖方法研究

为了保证位于我国西北的某高地应力软岩隧道的安全施工,基于有限元软件Midas/GTS对隧道的变形控制措施和开挖方法进行了研究。通过分析掌子面挤出位移、围岩塑性区、支护结构受力以及围岩变形等指标对比了环形开挖预留核心土法和三台阶七步预留核心土法的两种隧道开挖工法。通过围岩塑性区分布、支护结构受力和围岩变形等指标对比分析了不同的喷射混凝土厚度(21、28、35 cm)和掌子面加固范围(90°、127°、180°)。根据研究结果提出最适合本隧道的施工方法:采用三台阶七步预留核心土法进行隧道开挖,喷射混凝土厚度为28 cm,预加固范围为180°。     

中外高地应力软岩隧道大变形工程技术措施对比分析——以兰渝铁路木寨岭隧道与瑞士圣哥达基线隧道为例

为解决高地应力软岩隧道在施工过程中遇到的难以控制的围岩大变形问题,依托国内兰渝铁路木寨岭隧道与瑞士圣哥达基线隧道,采用对比分析方法,从软岩大变形机制、高地应力软岩隧道围岩分级及变形控制技术3个方面对两隧道进行对比,得出如下结论: 1）高地应力软岩隧道围岩大变形是在岩性、地下水、地应力场、围岩地质构造等多种因素共同作用下,因开挖卸荷、应力二次分布引起围岩发生塑性剪切滑移所致; 2）在高地应力软岩分级方法上,兰渝铁路木寨岭隧道与圣哥达基线隧道均采用了BQ法,但兰渝铁路木寨岭隧道分级更全面,圣哥达基线隧道分级更具针对性; 3）在高地应力软岩情况下,圣哥达基线隧道采用的新意法的全断面施工方法在施工管理和成本控制上要优于兰渝铁路木寨岭隧道采用的台阶法。     

节理岩体隧道的稳定性分析及破坏机理

以往只有位移,应力,尺寸和塑性区分布在分析节理岩体隧道的稳定性时考虑。这样,既不可以明确发现破坏面的位置和范围,也不能得到的安全系数量化标准。定量分析节理岩体隧道稳定性模型试验与数值分析在本文得出了研究。通过使用有限元强度折减法计算破坏状态和节理岩体隧道的安全系数。结果表明,联合倾角对破坏面的位置产生更大的影响。如果α＝0°时,破坏面对称分布在两侧;如果α＝30°和45°,滑动面旋转节随理倾角的变化,并相应地分布在节理的上下部分;如果α≥60°,破坏面转移到底部。特别地,如果α＝90°时,可形成拱顶的中间破坏面。安全系数结果表明,安全系数降低了不同程度的节理岩体隧道同质隧道,但节理倾角对安全系数的影响不大相比。节理间距和强度的降低,安全系数降低。     

留村隧道软岩施工技术

以留村隧道为工程背景,借助有限元软件ANSYS建立留村1号隧道软岩段施工过程的三维计算模型,对软岩地层隧道围岩变形、应力和塑性区做了分析研究。结果表明:随着隧道的开挖,核心土部分由于没有支护措施,产生了较大的塑性区;而隧道周围存在较小塑性区的主要原因是由于初期支护以及锚杆和超前小导管的作用限制了围岩塑性区的扩展。     

层状地层软岩隧道形变控制措施研究

软弱层状岩体具有自稳性较差,且强度各向异性等特点,隧道修建过程中常出现初支混凝土开裂、型钢拱架或格栅扭曲、支护侵限等大变形破坏现象。以国道318线折多山隧道工程为依托,通过开展有限差分数值模拟对层状地层软岩隧道大变形破坏特征进行了分析。研究结果表明:随着节理强度的增加,层状岩体的横观各向同性性质减弱,塑性区的分布从由节理面控制变为沿隧道轴线对称分布,且塑性区的范围也有所减小;从变形控制角度分析,对围岩整体进行注浆加固及增加支护结构的强度可以有效控制围岩变形,而仅对节理进行加固的效果较差。     

结构面特征对顺层边坡开挖卸荷影响分析

以四川省雅安市名山区某高速公路灌口组粉砂质泥岩顺层边坡为工程背景，利用现场大型直剪试验地质参数，建立了数值分析模型，以现场施工监测数据验证了模型的准确性，分析了顺层边坡结构面倾角、间距对边坡开挖卸荷及稳定性的影响。结果表明，顺层边坡卸荷区随开挖级数增加而不断扩展，呈现上宽下窄的分布特征，开挖卸荷深度随开挖级数增加迅速减小，深高比随顺层边坡开挖级数增加逐渐减小；顺层边坡安全系数随结构面倾角增大先减小后增大，开挖卸荷导致结构面最不利倾角由20°变化为30°,此时边坡卸荷深度及位移变形量最大；结构面间距对顺层边坡开挖安全系数及稳定性影响较小，但结构面密集边坡的位移变形量远大于结构面稀疏边坡，两者最大水平位移相差近5倍。研究结果可为该地区工程边坡防护设计提供有益的借鉴与参考。     

新建川藏铁路大渡河特大桥成都岸隧道锚群洞效应分析

针对大渡河桥成都岸隧道锚具有锚洞长、倾角陡、断面大、围岩地质差、碎裂岩发育、群洞效应显著等特点,采用三维数值仿真软件对其施工过程进行模拟,分析其围岩应力、变形及支护结构受力特征,结果表明:1)围岩开挖变形较显著区域主要集中在碎裂岩分布区域,埋深越大围岩变形越大;开挖后,隧道锚锚洞围岩变形量值最大为181.1mm,出现在锚塞体靠近后锚室段部位。2)碎裂岩分布洞段围岩塑性区延伸范围相对较大,深度最大超过7m。3)围岩损伤破坏最严重的区域在临空面附近,特别是碎裂岩分布洞段的边墙和底板部位;其中,以锚塞体和后锚室段损伤程度最为严重,围岩损伤最大深度接近5m。4)大部分支护结构受力在设计要求范围内,局部支护结构的应力值较大,出现屈服现象。     

背斜核部层状软硬岩区隧道变形时空效应分析

背斜核部可能集岩体破碎、软硬相间、层状分布、高地应力、地下水等岩土工程问题于一体,加上软岩流变特性致使其围岩变形机制复杂。为了解复杂工区围岩变形规律,根据雅康高速公路周公山隧道背斜核部软硬岩区监控量测资料,对围岩变形时空效应进行了分析。结果表明:①最大接触压力位于断面K8+559拱顶部位,达760.7kPa;最大变形位于断面K8+559拱顶部位,达760.7mm;②时间上:围岩变形呈周期性,周期为14d,初始4d变形明显,4～8d缓慢变形,8～14d趋于稳定状态;且鉴于支护效力逐渐发挥,后期的变形量值及速率均小于前期的变形量值及速率;③空间上:沿开挖方向,越靠近背斜核部变形越大;同一断面上,边墙水平位移最大;④对软硬岩区隧道工程应充分考虑软岩的时效变形,合理选择支护时机和支护措施。     

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。     

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。     

上软下硬复合地层双线平行隧道施工影响分析

在隧道建设过程中会遇到上软下硬的复合地层,如何控制复合地层隧道开挖对围岩和地层变形的影响成为亟待解决的工程问题。青岛地铁十三号线(R3)二期工程在施工中,隧道穿越上覆地层以土层为主、下部以岩层为主的"上软下硬"复合地层。通过采用数值模拟和现场监测并反馈的方法对青岛地区"上软下硬"复合地层双线平行隧道围岩变形特征和地层移动规律进行研究。研究结果表明:隧道在穿越均一或复合地层时,围岩和地表会产生不同程度的变形;隧道围岩软硬岩比例越高,隧道拱顶下沉、隧道底板隆起和地表沉降量也越大,且以先行隧道拱顶沉降最为显著,在施工中应加以重视。这为双线平行隧道在上软下硬复合地层施工提供了一定的指导意义。     

覆土厚度对城市软岩隧道围岩稳定性的影响分析

针对城市地铁隧道浅埋表层土厚度对隧道围岩稳定性的影响,利用有限元方法研究了不同覆土厚度条件下浅埋软岩隧道开挖过程中的变形规律.结果表明：受开挖的影响,左右两侧的x方向位移较明显,y方向位移主要表现为竖向沉降且由于受到开挖的影响其变量较大;表层土厚度越大,隧道围岩越不稳定;覆土较薄,围岩应力集中现象出现在隧道两侧,覆土较厚,围岩应力集中出现在x方向下方45°位置;衬砌区域上下侧所受应力高于左右两侧,且衬砌区域应力显著大于软岩.     

岭角隧道节理裂隙岩层稳定性离散元分析

为了研究不同埋深的破碎岩层对隧道稳定性的影响,以及节理裂隙较软岩层下隧道塌方过程的形态规律,依托岭角隧道工程,分别建立不同埋深破碎岩层下隧道开挖、支护的简化模型,应用离散单元法对岩层张开节理、塑性区及支护结构内力进行分析。结果表明:当破碎岩层分布于隧道拱肩及拱顶位置时,隧道稳定性最差,此时其支护结构上的内力值相对最大;节理裂隙较软岩层下隧道塌方一般经历断面收缩变形、大面积岩体塌落、塌方完成三个形态阶段。     

Unwedge程序在隧道围岩块体稳定性及敏感性分析中的应用

岩层被不同的结构面切割,在进行隧道开挖时,临空面与结构面组合,可形成不稳定结构体,使岩块变得可动。该文应用基于块体理论开发的Unwedge程序,较好地预测了某水工隧道围岩块体的稳定性,为隧道的开挖提供了建议。通过对影响隧道围岩稳定性因素的敏感性分析,得出在众多因素中,结构面内摩擦角、粘聚力及地下水位的影响较大;此外还得出了隧道轴线走向、倾角与隧道围岩稳定性关系曲线图,对隧道选线具有实际指导意义。     

断面形状对隧洞围岩位移和应力的影响分析

采用FLAC3D软件分析了圆形断面、矩形断面、直墙式断面和曲墙式断面形状隧道开挖在III级围岩中的位移和应力集中分布规律。圆形断面隧洞围岩位移最小,应力集中系数最小,塑性区厚度最小,应力集中系数最大点距洞面的距离最大,即支护结构受到的围岩压力最小;与圆形断面隧洞相比,曲墙式隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区仅次于圆形隧洞,曲墙式断面是合理的隧洞断面形式;矩形隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区最大;直墙式隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区仅比矩形隧道略小,与矩形一样,直墙式断面是不利的隧洞断面形式。     

地表水平及倾斜下隧道变形受力特性对比分析

地表倾斜是傍山隧道经常遇到的情况,给施工带来极大的困难。因此,基于有限元原理建立了地表水平和地表倾斜的两种模型,通过对比分析地表水平和地表倾斜情况下的围岩变形受力、围岩塑性区分布、支护结构受力情况,研究地表倾斜下隧道的变形受力特性。结果表明：地表倾斜下的围岩和支护结构受力均不关于隧道中心线对称,且围岩水平位移表现为顺坡方向,围岩应力在深埋侧左墙脚和浅埋侧右拱腰部位产生应力集中,深埋侧左墙脚和浅埋侧右拱腰弯矩增大明显,塑性区分布呈“不对称蝴蝶”形分布。     

大跨度小净距隧道施工过程力学行为研究

对于软岩大跨度小净距隧道,由于软岩工程性质差,且隧道施工工序较多,隧道围岩稳定性受施工扰动的影响更为显著,隧道净距对围岩稳定性的影响更为直接;分析软岩大跨度小净距隧道的净距对隧道施工力学行为的影响,确定最小净距有着重要的现实意义.以二广高速公路西岸大跨度小净距隧道为实例,以隧道V级围岩为研究对象,在模型概化、参数综合选取的基础上,通过ANSYS数值模拟分析了隧道不同净距对隧道围岩应力、变形及塑性区分布的影响,并确定此类隧道的最小净距不宜小于0.45倍的单洞跨度,该结论对软弱围岩大跨度小净距隧道的净距选择有一定的指导意义.     

浅覆大跨度小净距隧道中岩墙及初支力学特性研究

通过建立后掘隧道的三台阶开挖数值分析模型,模拟D/B分别为0.5,0.75,1,1.25,1.5,2情况下,后掘隧道开挖对中岩墙多次扰动所引起的围岩塑性区分布、主应力差、水平位移等力学特性,并分析其对先行隧道初支内力的影响。通过分析中岩墙应力、变形随净距的变化,表明当中岩墙厚度小于0.75B时,中岩墙上部区域塑性区已贯通,塑性区范围急剧扩大,说明后掘隧道对中岩墙的受力变形和先行隧道支护结构受力极为不利。在D/B=0.5的不利情况下,可对中岩墙进行注浆加固处理,模拟结果表明注浆可极大降低初支受力,最大轴力减小了49.1%,最大弯矩减小了29.1%,大大提高了围岩稳定性。