深埋软岩隧洞围岩变形破坏分区规律反演分析

研究目的:榴桐寨隧道是新建成都至兰州铁路线的关键性控制工程,其围岩大变形问题十分突出,而目前对深埋隧洞围岩流变条件下的变形预测尚无成熟的计算方法。本文在总结现有围岩变形研究成果的基础上,将隧洞围岩简化为理想弹塑性介质并布设全长锚固锚杆,基于锚杆-围岩协调变形原理,分析杆体表面摩阻力及其轴力的分布规律,由静力平衡条件推导锚杆中性点处的最大轴力值,进而建立变形稳定后围岩的塑性区及松动区半径公式,从理论上确定榴桐寨隧道围岩的松动区及塑性区范围,为优化围岩支护方案及参数提供重要的技术支撑。研究结论:(1)工程实际中,围岩流变是导致深埋隧洞出现大变形的根本原因,隧洞围岩变形通常在初期锚杆支护一段时间后才趋于稳定;(2)隧洞围岩与锚杆协调变形,杆体所受正、负摩阻力的分界面即为杆体中性点,该点杆体与其周围岩体的相对位移及表面摩阻力为零,但其所受轴向拉力达到最大值;(3)通过锚杆所受最大轴力可对变形稳定后的隧洞围岩塑性区及松动区范围进行反演分析,围岩塑性区及松动区范围的大小随岩体黏聚力和内摩擦角的增加而减小,随隧洞半径的增加而增大,但受支护阻力的影响不大;(4)现场应用结果表明,基于锚杆轴力反分析隧洞围岩分区规律的方法是合理可行的,该研究成果对于类似隧洞工程的安全快速施工具有一定的借鉴意义。     

顶部系统锚杆在不同跨度隧道中的作用效果研究

系统锚杆在隧道中能够发挥作用,而能发挥多大作用已成为隧道研究者们所争论的焦点。为研究隧道顶部系统锚杆的作用,文章采用数值模拟的技术手段,研究隧道在不同跨度条件下顶部系统锚杆的支护效果,通过分析各种工况下隧道拱顶沉降、初支应力大小以及围岩的塑性区发展,得到如下结论:顶部系统锚杆对隧道拱顶沉降、初支应力大小及围岩塑性区均有一定的控制效果,且在一定范围内,随着隧道跨度的增加,对拱顶沉降及围岩塑性区控制效果越明显。因此,在软弱围岩隧道开挖中,并不能统一取消顶部系统锚杆,同时也应通过隧道的断面形式进行合理地优化。     

丽香铁路长坪隧道锚杆支护参数优化研究

以丽江-香格里拉铁路长坪隧道为工程背景，采用数值模拟方法分析不同锚杆长度和不同施作部位支护效果，针对性提出锚杆支护优化方案，并结合现场试验对锚杆支护方案进行验证。结果表明：增加锚杆长度可有效控制围岩变形和塑性区范围，并减小初期支护结构应力；但随锚杆长度增大，其对变形控制效果逐渐降低，综合考虑经济性，锚杆长度应适当。三台阶开挖方法，拱部锚杆对控制拱顶下沉具有显著作用，但对边墙收敛影响较小；下台阶锚杆对隧道围岩变形及塑性区范围影响较小，建议上台阶锚杆长度为4.5 m,中台阶锚杆长度为6.5 m,取消下台阶锚杆。经现场试验变形控制效果良好，虽喷射混凝土存在部分开裂，但变形稳定，未发生侵限问题。     

超大跨度隧道预应力锚杆——锚索协同支护机理

探索运用1种新型支护形式预应力锚杆—锚索协同支护体系,在京张高铁八达岭长城站大跨过渡段跨度极大(32.7 m)且围岩质量极差(Ⅴ级围岩)的情况下保障隧道安全建设。通过现场监测,研究预应力锚杆—锚索的力学行为,结合现场围岩微震监测,分析预应力锚杆—锚索协同支护机理。结果表明:预应力锚杆、锚索的轴力均由初始预应力、预应力损失和被动支护力3部分决定;在隧道开挖过程中,锚杆和锚索的轴力演化过程可分为预应力快速损失、轴力波动和轴力稳定3个阶段,且预应力锚杆轴力沿自由段非均匀分布,锚杆自由段存在多个中性点;预应力锚杆锚固于浅层围岩内部,与被锚固岩体组成组合拱结构承担围岩荷载;预应力锚索锚固于深层围岩区域,调动深层围岩的承载力承担围岩荷载,并提高锚杆组合拱的稳定性;预应力锚杆—锚索协同作用实现了超大跨度隧道围岩的有效支护。     

考虑锚杆加固时围岩较大屈服情况下应力应变非线性解

针对锚杆加固条件下围岩产生较大屈服的问题,通过建立锚杆加固塑性区径向和环向的等效弹性模量计算方法,充分考虑锚杆加固对塑性区弹性应变增量的影响,并基于广义Hoek-Brown强度准则与有限差分原理,提出应力增量法并求得注浆锚杆加固下应变软化围岩弹塑性应力、位移和塑性区半径的数值解。通过与已发表结果的对比,同时结合现场实测数据,验证本文所提理论方法的可靠性。研究结果表明：采用本文提出的理论方法进行围岩较大屈服变形评估将会获得相对较大的结果,因此,据此进行类似工程条件下隧道的注浆锚杆加固设计将会更加安全。     

冰水堆积体隧道施工过程变形与受力分析

为探明冰水堆积体公路隧道施工期间围岩变形和支护体系特性,以在建国道317线雀儿山隧道为工程依托,通过现场实验对冰水堆积体围岩物理力学参数及施工特性进行分析,采用现场测试方法对施工过程中隧道地表下沉和洞周变形,锚杆轴力、钢拱架内力、围岩-初期支护接触压力等支护体系特性进行研究。结果表明:(1)冰水堆积体围岩隧道粒度粗细悬殊且粗细混杂岩性变化大,垂直方向上主要分为冰水积含碎石砂卵砾石层和冰漂砾块碎石层;(2)水平方向上围岩构成和分布是影响锚杆轴力、拱架内力、围岩与初支的接触压力变化及分布的主要影响因素;(3)采用三台阶预留核心土法施工安全可控。     

挤压性围岩单线铁路隧道受力变形分布规律研究及工程应用

挤压性围岩隧道大变形问题是近年来困扰隧道建设者的突出难题之一。以丽香铁路长坪隧道为工程依托,采用数值计算与现场测试相结合的方法,研究了挤压性围岩单线铁路隧道受力变形分布规律,并应用于工程实践。主要研究结论为:(1)单线隧道受洞室形状影响,变形以水平方向为主,围岩压力以垂直方向为主;(2)支护结构均以受压为主,拱腰和墙脚是易产生应力集中的薄弱环节,实测锚杆多受拉,墙中锚杆轴力远大于拱部及墙脚锚杆;(3)实测受力变形分布规律与计算结果基本一致;(4)工程实践中通过采取断面曲率优化、加长边墙系统锚杆、两台阶法开挖、高效锚杆钻机等措施,有效控制了围岩变形,隧道结构安全稳定。     

浅埋大跨岩质隧道主动支护作用机制研究与应用

预应力锚杆主动支护技术在隧道工程的应用日益增多,但其对浅埋大跨岩质隧道的适用性及作用机制尚未明确。以青岛地铁暗挖车站为依托工程,开展调研分析、数值计算和模型试验,对比分析预应力锚杆与非预应力锚杆对块状围岩的支护作用,从围岩应力补偿、块体围岩挤压成拱和危险块体控制3个方面研究浅埋大跨岩质隧道主动支护作用机制及理论模型,并进一步开展现场应用。结果表明：原支护方案主要沿用了土质隧道支护理念,对岩质围岩自承能力的认识和利用不充分;锚杆预应力（100 kN）使围岩拉应力区消失、塑性区大幅度减小,并使围岩结构面的法向挤压接触应力提高约0.2～0.3 MPa,有效控制结构面两侧岩体的滑移错动,提升了隧道围岩整体稳定性;建立的主动支护理论模型将传统主动支护应力补偿对象由开挖面聚焦至岩体结构面;主动支护新方案较原支护方案的支护材料减量约30%,工期缩短约17%,隧道沉降量减小约50%。     

锚注联合支护效果的数值模拟研究

研究目的:采用数值计算的方法从控制隧道变形、塑性区扩展,提高锚杆锚固力,减少初期支护受力等方面对锚注支护与常规喷锚支护的支护效果进行对比研究.研究结论:以具体工程为例,采用数值计算的方法对破碎软弱围岩条件下锚注支护与常规喷锚支护的支护效果进行了系统分析和对比研究.研究表明:对松散、破碎围岩而言,锚注联合支护通过提高围岩强度、锚杆锚固力,从而提高围岩自承能力及支护结构作用在洞室周边的径向压力,与常规喷锚支护相比可有效限制围岩变形,抑制塑性区的发展,提高锚杆锚固力,减少钢拱架及喷射混凝土层的受力,提高初期支护稳定性,特别适宜于破碎软弱围岩的支护.     

基于无量纲法的应变软化围岩的逐步位移法解析

基于Brown等提出的应变软化模型及逐步应变计算方法,采用无量纲分析法,获得基于Mohr-Coulomb准则下的应变软化围岩的应力及位移场分布的无量纲解。与已有理论结果的对比分析表明:采用基于无量纲法的逐步位移法求解软化围岩应力与位移是准确有效的。对支护力及残余区控制系数的影响分析表明:支护力和残余区控制系数的增大会减小围岩塑性区范围。该结论可为隧道支护力大小的设计提供参考。     

迈氏锚杆及其在隧道超前支护中的应用

谈了在软弱破碎围岩隧道施工中推广先进锚杆系统必要性，简要介绍了迈氏锚杆的性能特点，结合堰岭隧道的施工介绍使用迈氏锚杆作超前支护的具体做法和效果。     

浅埋偏压隧道施工过程数值分析

采用有限元分析方法对一浅埋偏压隧道开挖施工过程进行三维数值模拟分析,研究围岩变形、应力及锚杆轴力的变化规律,为评估施工方案的合理性提供依据。结果表明:掌子面距监测断面≥15 m时,监测断面的累计变形量可忽略不计;围岩最大变形10 mm,满足设计要求;由于偏压作用隧道断面周围锚杆受力分布不均匀,最大轴向压力出现在隧道拱顶左上方,为20.28 k N。     

小净距隧道下穿既有建筑物稳定性研究

近接施工引起的结构稳定性一直是城市地下工程关注的热点问题。以合肥小净距隧道穿越利海大厦办公楼工程实践为依托,建立三维数值力学模型,研究建筑物桩基变形特性、小净距隧道围岩塑性区分布和衬砌力学响应。研究结果表明:上台阶开挖引起桩基沉降占整个断面通过后总沉降量较大比例,上台阶施工过程控制尤为重要;接近隧道入口的桩基沉降量最大,从外向内逐渐减小;隧道通过20 m后,桩基沉降基本稳定。小净距隧道围岩塑性区主要集中在边墙、中隔墙和拱脚,建议设置中隔墙对拉锚杆和拱脚锁脚锚杆;先行洞洞周变形大于后行洞,先行洞隧道拱肩、中夹岩柱侧边墙二次衬砌安全系数最小,应作为施工阶段重点监测部位。研究成果对复杂环境城市地下工程设计、施工提供参考和借鉴。     

京沪高铁西渴马隧道初期支护受力特征分析

结合京沪高铁西渴马隧道工程,建立三维数值计算模型,根据相关勘察设计资料选取隧道围岩、注浆锚杆和初期支护力学参数。从隧道围岩最大主应力、最小主应力和塑性区等方面分析围岩的受力特征;从喷射混凝土受力和锚杆受力方面分析隧道支护结构应力特征。通过对现场典型断面实测,计算得到支护结构弯矩最大值处的最大压应力2.41 MPa,表明现行支护参数满足安全性要求。     

非圆形隧道毛洞围岩的应力和塑性区

为研究隧道工程中常见的非圆形毛洞围岩的应力和塑性区分布,采用复变函数方法,得到平面应变状态下受双向挤压应力作用的毛洞围岩应力解析解,并将其代入Drucker-Prager屈服准则,估算围岩的塑性区范围。以工程中常见的大断面双线铁路隧道为例,先通过搜索边界映射点的方法得到隧道毛洞的映射函数;再求得隧道毛洞附近围岩的应力分布,对推导出的非圆形隧道毛洞围岩应力解析解的正确性进行验证;最后分竖向挤压应力较小与较大2种情况,讨论侧压力系数对隧道毛洞围岩塑性区的影响。结果表明：离毛洞边4倍毛洞宽度处,应力值稳定,趋于所加荷载;当竖向挤压应力较小或较大时,侧压系数的改变分别会影响塑性区的位置或形状;拱腰处塑性区主要由竖向挤压应力产生,而拱顶与仰拱处塑性区则主要由水平挤压应力产生;在隧道设计和施工过程中,当围岩侧压系数较小或较大时,须分别在拱腰、拱顶与仰拱处加强支护。     

涨壳式预应力中空锚杆的研究与应用

通过研究涨壳式预应力中空锚杆和普通砂浆锚杆在限制隧洞围岩塑性范围、控制洞室围岩位移变化、锚杆支护轴向力这三个方面的对比分析,说明了涨壳式预应力中空锚杆具有更好的锚固效果。锦屏二级水电站东端2号引水隧洞中应用涨壳式预应力中空锚杆,解决了临时支护与永久支护二者如何有机结合的问题,最大程度地提高施工进度,而且对高地应力情况下的坍塌、岩爆也可起到很明显的防治效果。     

软岩隧道的围岩变形计算

文献[6]在考虑软岩的剪胀、蠕变和非线性破坏准则等影响后，推导隧道的围岩变形表达式．在此基础上，考虑软岩的塑性大变形特性后，分别根据相关联与非关联流动法则，推导出圆形隧道位移解、通过计算得出：在软弱的围岩或土中，剪胀角的大小对隧道塑性区软岩位移影响很大．     

软弱相间水平层状岩体隧道围岩变形特征分析

为研究软弱相间水平层状岩体隧道围岩变形破坏机理并正确指导设计施工,采用现场隧道围岩松动圈测试并结合三维离散元数值模拟方法对不同工况下隧道塑性区分布、收敛位移进行比较分析验证。结果表明:隧道墙脚容易产生塑性变形,造成底部岩体支撑方式发生变化,由于岩体软弱相间且层间连接弱,在拱顶沉降与两侧围岩水平收敛产生的水平力作用下,导致底部岩体发生向上的变形破坏。针对其变形破坏机理,对其支护措施进行研究,发现对底部岩体进行锚杆加固,增大了层间岩体连接,减小了各向异性,提高了岩体的整体强度,有效降低隧道底部岩体向上变形程度,防止隧道底部隆起,保证施工和运营安全。     

监控量测技术在强风化膏溶角砾岩隧道施工中的应用

石太线太行山隧道,累计穿越4 410 m长的强风化膏溶角砾岩地层,岩体极破碎,富水、呈散体状结构.该种岩体中隧道开挖后稳定时间很短,容易发生坍塌和大变形.为保证隧道的正常施工,掌握强风化膏溶角砾岩围岩动态和支护结构的工作状态,施工过程中进行了系统的监控量测,分析了初期支护围岩压力、锚杆轴力和支护结构应力的分布特征和随时间变化规律,及时反馈信息,指导施工,为隧道顺利建设提供技术支持.     

高地应力软岩隧道施工方法与监测

兰海高速公路麻崖子隧道位于西秦岭山区,围岩破碎,埋深较大,地应力较大,施工中存在较大安全隐患。对隧道围岩内部位移、锚杆轴力、支护钢拱架内力、围岩与锚喷混凝土接触压力、岩隙涌水量等进行现场监测,并结合地质勘查资料进行了综合分析。结果表明：隧道开挖后围岩产生较大变形,未支护围岩在施工爆破中容易产生岩体塌落事故,提出利用超前地质预报及时掌握掌子面围岩和地层的情况,并根据围岩状态变换爆破方法,在初期支护前喷上一层纤维混凝土以增加破碎岩体的胶结力等措施。