深埋隧道结构型围岩变形机理及控制研究

新建兰渝铁路多座长大深埋隧道开挖过程中遇到层片状围岩,产生强烈的挤压变形,主要表现为初期变形强烈迅速,变形持续时间长,变形破坏的空间分布具有强烈的各向异性。常规的控制手段不能很好地解决这种强烈各向异性的变形方式,导致现场频繁采取补强支护措施,给工程建设带来了很大的影响。文章针对研究区特殊的非线性大变形破坏现象,综合应用现场工程地质调查、室内试验、现场测试以及3DEC离散元数值模拟等手段,深入分析研究区层片状围岩的结构大变形的破坏机制。研究表明,高地应力诱发低强度围岩开挖后发生迅速而强烈的挤出变形,层片状围岩结构强度的各向异性控制了开挖后应力重分布及隧道断面变形的不对称分布。基于对围岩非对称变形机制的认识,从围岩控制的角度,提出了一种针对层片状岩体扰动各向异性的定向支护措施,对围岩进行主动加固。     

深埋隧道结构型围岩变形机理及控制研究北大核心CSCD

新建兰渝铁路多座长大深埋隧道开挖过程中遇到层片状围岩,产生强烈的挤压变形,主要表现为初期变形强烈迅速,变形持续时间长,变形破坏的空间分布具有强烈的各向异性。常规的控制手段不能很好地解决这种强烈各向异性的变形方式,导致现场频繁采取补强支护措施,给工程建设带来了很大的影响。文章针对研究区特殊的非线性大变形破坏现象,综合应用现场工程地质调查、室内试验、现场测试以及3DEC离散元数值模拟等手段,深入分析研究区层片状围岩的结构大变形的破坏机制。研究表明,高地应力诱发低强度围岩开挖后发生迅速而强烈的挤出变形,层片状围岩结构强度的各向异性控制了开挖后应力重分布及隧道断面变形的不对称分布。基于对围岩非对称变形机制的认识,从围岩控制的角度,提出了一种针对层片状岩体扰动各向异性的定向支护措施,对围岩进行主动加固。     

软弱隧道围岩锚杆支护效应的落门试验研究

在软弱围岩中进行隧道开挖,往往因岩体变形过分或局部应力集中而导致围岩失稳破坏,在实际工程中大多采用锚杆作早期支护。文章以Ⅳ级软弱围岩为参照对象,利用相似模型试验进行了锚杆支护条件下的隧道施工过程模拟,对开挖过程中围岩的渐进破坏特征、破坏模式以及锚杆的支护效应进行了研究。试验结果表明,隧道开挖将会在隧道周边形成一应力扰动区,而真正塌落成拱的只是该扰动区的一部分;由于有锚杆的支承作用,拱顶岩体的破坏呈分区破坏模式;岩体的破坏范围主要集中在隧道两侧与水平面成45°+φ/2的扇形区域内;在隧道开挖后,拱顶上方岩体的切向应力升高形成承载压力拱,主要位于距拱顶约1.0~1.25B处(B为隧道跨度)。     

基于非接触测量技术裂隙岩体隧道开挖局部损伤分析

裂隙岩体损伤区的合理确定对于工程开挖和支护方式的选择至关重要。文章针对这一问题,提出了基于现场岩体结构面的精细测量和表征技术,利用优化后的数值模型定量分析隧道岩体损伤区范围及其力学特性;结合辽宁建兴高速公路某隧道开挖工程实例,采用非接触测量手段采集隧道掌子面的结构面信息,并导入GeoSMA-3D系统,生成接近实际情况的三维空间结构面模型;在此基础上利用颗粒流数值方法 PFC计算确定隧道开挖损伤区范围,并对围岩应力、位移曲线和力链、裂隙分布进行了对比分析。其研究结果表明,力链集中表征围岩开挖扰动程度,裂隙的密度表征围岩开挖损伤程度,而裂隙的贯通则与破坏区对应,从而可以较准确地识别节理岩体隧道工程中岩体损伤区范围及其力学特性;同时利用PFC也较好地模拟了岩石在破坏阶段存在的损伤局部化现象。     

层状千枚岩隧道形变破坏规律与支护措施研究

千枚岩软弱结构面发育,岩体呈互层结构且风化严重.在类似层状岩体中开挖隧道,围岩将出现大变形,严重危及隧道施工安全.文章基于成兰铁路杨家坪隧道,建立宏观层理分布模型,对层状千枚岩隧道形变破坏规律与支护措施展开了相关研究.研究结果表明:岩层法向位移在洞周呈斜向"X"型分布,位移峰值位于隧道拱顶及边墙部位;岩层切向位移位于隧...     

断层对小净距隧道稳定性的影响分析

文章针对福州魁岐2号特大断面小净距隧道工程特点,以Ⅴ级围岩为研究对象,利用离散单元法对节理岩体中断层存在时初始围岩应力分布特征以及断层与隧道不同相对位置情况下围岩变形特征进行了定性分析。结果表明,当节理岩体中有断层存在时,初始围岩应力不再呈水平层状分布,而是出现一定程度的应力集中现象;围岩变形在断层附近区域显著增大,而距断层较远处基本不受影响;对于小净距隧道,当中间岩柱中存在断层时更不利于隧道和中间岩柱的整体稳定。     

土岩软硬结合部隧道结构的震害机理分析及抗震研究

在土岩软硬结合部,土体与岩体由于刚度、质量密度等力学参数不同而产生不同的地震动响应,继而导致隧道结构发生严重破坏。文章结合青岛海底隧道相关资料,研究分析了地震灾害来临时隧道结构在土岩软硬结合部位的破坏机理及相关抗震措施。研究结果表明,在土岩软硬结合部,地震动作用下的围岩失稳、大的地震惯性力,以及大能量基岩面波产生的变形能都会导致隧道衬砌发生破坏,而大能量基岩面波产生的变形能是主要原因;当保持围岩稳定或使隧道结构的质量密度、刚度与围岩相差不大时都可以防止土岩软硬结合部隧道结构发生破坏,而后者是最有效的途径;轻质量延性隧道的抗震性能良好。本研究成果对于揭示土岩软硬结合部隧道结构的震害机理及优化抗震设计具有一定的借鉴意义。     

散体围岩隧道开挖中超前小导管注浆的作用

散体围岩隧道开挖后,围岩稳定性差,易出现大变形沉降、掌子面挤出、拱顶坍塌等危害,必须进行超前支护。以吉怀高速公路杜夜隧道进口浅埋强风化岩层段为例,对超前小导管注浆在散体破碎围岩开挖中的加固机理进行探讨,采用FLAC~(3D)三维数值模拟方法,结合遍布节理模型描述岩层结构的特点对小导管注浆施做过程中的受力、位移变形及支护效果进行研究,定量分析超前小导管注浆的加固机理。研究表明:对于散体破碎围岩,采用遍布节理模型可同时考虑岩块和节理属性,更符合岩体状态和工程实际;超前小导管注浆技术能改善围岩的力学性质,提高岩体的刚度及强度,增强散体围岩自稳能力,显著抑制散体破碎围岩的变形,减少隧道支护结构的变形和受力,避免散体围岩隧道开挖中坍塌现象的发生。     

隧道洞口滑塌与支护结构破坏特征数值模拟研究

隧道洞口段一般埋深较浅,围岩条件较差,很难稳定成拱,因而在隧道开挖后极容易受到外界扰动作用而发生坍塌变形。尤其在遇水软化的膨胀性黄土地层中建设隧道时,需要考虑降雨作用对隧道稳定性及支护结构变形的影响。本文通过数值模拟方法,结合现场观测以及室内实验,对太原某黄土隧道洞口滑塌及支护破坏特征进行了分析研究。结果表明:该隧道洞口支护结构发生破坏一方面是由于洞口浅层土体本身强度不足,且黄土遇水后强度急剧降低,围岩发生塑性变形,塑性区范围迅速扩展,围岩承载能力急剧降低;另一方面是由于膨胀性黄土遇水膨胀,产生较大膨胀力,使围岩内部应力急剧增加并且作用在支护结构上,从而导致支护结构破坏,引起隧道塌方。     

高地应力软岩条件下挤压变形预测及应用

近年来,穿越高地应力区且工程地质环境恶劣的软弱围岩长大隧道工程不断涌现,其不同程度围岩大变形问题给施工设计造成了很大困难。从研究软弱围岩隧道大变形分类、挤压变形分级出发,利用现场试验对隧道岩体强度进行估算,并采用Hoek方法对挤压变形进行判定及量值估算,其研究成果应用于正在修建的兰渝线木寨岭隧道斜井工程中加以验正,结果与现场实测数据规律基本一致。     

节理岩体中TBM掘进施工围岩稳定性及可视化分析

节理岩体的地质赋存特征含岩体结构、原岩应力场和地下水三方面,由此产生诸如破碎带、大变形软岩、富水带等恶劣的工程地质条件。TBM在节理岩体中掘进受到岩体地质特征和工程地质条件的影响,同时也对岩体造成一定的扰动,可能将导致隧道围岩发生失稳。另外,地质勘探不到位、掘进机选型不当等因素也会导致或促进围岩发生失稳。TBM掘进围岩失稳的形式主要有开挖面失稳和洞周失稳,以及二者兼有的大型围岩失稳。为了更直观地观察TBM掘进围岩失稳,文章采用自主研发的块体理论分析软件BLKLAB对节理岩体进行三维可视化建模,模拟TBM隧道开挖,并根据块体理论计算分析得到了开挖面和洞周的可动块体和关键块体。     

结构面空间组合关系对隧道围岩稳定性影响研究

隧道围岩变形破坏与岩石强度、结构面空间组合关系、地下水和地应力等因素关系密切.为研究结构面空间组合关系对隧道围岩稳定性的影响,文章基于郑万铁路向家湾隧道工程地质条件,采用UDEC离散元软件对全断面开挖下的围岩稳定性进行数值模拟,重点分析了两组结构面的空间组合关系对结构面剪切滑移、围岩塑性破坏及位移的影响,同时根据开挖后...     

附加荷载引起大跨扁平隧道变形破坏的模型试验研究

文章以深圳大跨扁平马峦山隧道为工程背景,采用模型试验法研究了Ⅳ级、Ⅴ级围岩条件下隧道结构在附加荷载作用下的破坏过程,分析了围岩压力、衬砌变形和结构内力的变化规律。研究结果表明:(1)拱顶围岩压力先增大后减小,当附加荷载达到至某一值时,拱顶围岩压力最大,且衬砌变形较小;(2)随着附加荷载的增加,衬砌变形均经历弹性阶段、塑性阶段、破坏阶段三个阶段,且Ⅴ级围岩衬砌变形较大;(3)随着附加荷载的增加,衬砌结构内力增大,衬砌弯矩分布形状近似呈"蝴蝶型",轴力分布形状近似呈"菱形",且分布不均匀性增大。     

加锚云母片岩隧道围岩失效特征及力学效应

在深埋云母片岩地层中,隧道的锚杆支护结构常发生失效,进而引发围岩大变形问题,威胁隧道施工安全和结构的可靠度。文章采用现场试验及数值计算相结合的手段,分析了云母片岩地层隧道围岩的应力应变特征和松动圈形态,研究了片岩地层中锚-岩复合体的应力关系和失效特征,可为云母片岩及层状各向异性岩体地层隧道支护方案设计、围岩变形控制及减灾避灾提供参考。     

乌鞘岭特长隧道软弱围岩大变形特性研究

乌鞘岭特长隧道全长20050m,是我国目前正在修建的国内最长的单线铁路隧道.隧道施工中发生了严重的围岩大变形,主要表现为隧道中部岭脊地段F4～F7断层构成的"挤压构造带"在深埋高地应力条件下的软弱围岩大变形,拱顶最大下沉及侧壁最大水平收敛变形量均达1000mm以上,导致初期支护开裂破坏并严重侵入衬砌净空等,不得不将初期支护全部或部分拆除重做,再施作二次衬砌.文章对隧道区域工程地质环境、软弱围岩变形力学特性及初期支护破坏规律、围岩变形的影响因素等进行了分析研究,并讨论了隧道围岩加固、初期支护预留变形量与二次衬砌施作时机等问题.     

昔格达组地层大断面隧道掌子面玻璃纤维锚杆加固参数研究

昔格达组地层水稳性差,遇水后岩体工程性质迅速劣化,在该地层中修建隧道易产生围岩大变形、掌子面坍塌等灾害。文章基于岩土控制变形分析法,以成昆铁路桐梓林隧道为例,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对昔格达组地层大断面隧道掌子面采用玻璃纤维锚杆加固的参数进行了研究,确定了锚杆的加固密度为0.65根/m~2;建立了昔格达地层隧道掌子面失稳破坏模式,由其纵向破坏深度确定了锚杆加固长度的合理取值范围为8～11 m;通过掌子面前方塑性区分布深度确定了锚杆的搭接长度为4 m。     

节理岩体隧道围岩稳定性判定指标合理性研究

隧道围岩失稳模式和稳定性判据一直是工程界争论的焦点,迄今没有科学合理的标准,常以洞周位移或塑性区经验值作为稳定性判定指标。洞周位移受围岩弹模、隧道形状等因素影响,而且不同部位变形值差异很大,很难找到统一标准;以塑性区作为稳定性判据优于以位移作为判据,围岩塑性化反映连续介质宏观塑性流动力学动态,而不能用于量化判定由优势结构面控制节理岩体破坏的隧道稳定性。文章结合细观节理形态和变化,通过UDEC离散元程序,研究节理岩体隧道失稳模式及量化的稳定性判定指标,探讨了细观结构机制和宏观力学行为关系。结果表明:(1)结构面极大地削弱岩体力学性质及其稳定性,结构面变形与强度性质对于隧道稳定性起着关键控制性作用;(2)节理岩体隧道扰动区可划分为脱落区、张开区和剪切滑移区,其中脱落区表征围岩失稳模式,张开区围岩处于脱落临界状态,即塌方潜在区域;(3)剪切滑移区是诱发围岩发生渐进性破坏主因,提出将剪切滑移区作为节理岩体隧道稳定性判定指标具有严格力学依据,可以定量化评价围岩稳定程度。最后,以在建兰渝铁路木寨岭隧道为例,对比了锚杆支护前后力学效应,验证了以剪切滑移区作为节理岩体隧道稳定性判定指标的可靠性、合理性和现实性。     

自锚式加固结构对滑坡区隧道的治理效果研究

滑坡区隧道存在变形破坏等病害,文章采用自锚式新型加固结构对位于深厚滑坡体滑面上部附近的隧道进行加固处置,并通过理论计算和数值计算就自锚式加固结构的加固效果进行研究分析。理论计算结果表明:采用新型加固结构后,隧道内力分布更加均布合理,变形也得到了有效的约束,验证了新型加固结构具有良好的加固效果。数值计算结果表明:采用新型加固结构后,隧道内力分布更加合理,最大主应力明显减小,应力集中区消失,同时变形也得到了有效的约束;新型加固结构的作用范围仅体现在隧道围岩及下部岩土,滑坡最终将发生越顶破坏,验证了自锚式新型加固结构只加固隧道而不治理滑坡的加固理念。     

平行褶皱构造对隧道围岩变形的影响研究

岩层受力弯曲变形形成褶皱构造,隧道穿越褶皱地质构造时,在复杂地质构造及地应力条件影响下,隧道围岩容易发生变形破坏,影响隧道的稳定性。针对隧道在平行于褶皱轴线穿越平行褶皱构造地质时的围岩变形问题,文章采用有限差分法并结合实际工程中褶皱构造的隧道围岩进行了数值模拟计算,探究了隧道围岩的变形规律,提出了控制围岩变形的思路。结果表明,隧道在平行于褶皱轴线穿越平行褶皱构造时,拱顶及仰拱部分更容易发生变形破坏,且主要集中在软弱岩层部分及软硬岩层分界面处,具体为向斜类型的软弱岩层上分界面和背斜类型的软弱岩层下分界面处,因此可考虑采用加强拱顶及仰拱围岩的位移控制,加固处理平行褶皱构造中的软弱岩层部分来减小隧道围岩变形的控制思路。     

下穿立交结构的盾构隧道围岩安全评价的均值与非均值模型

隧道围岩稳定性评估是地下工程建设与维护所面临的重要课题之一。基于此,文章从材料特性角度分别建立均值和非均值数值模型,针对沈阳地铁2号线1标盾构隧道下穿立交结构的围岩安全稳定性进行评价。其中,均值模型侧重于分析围岩变形、应力变化和塑性区分布特征,并结合实测数据对其计算合理性进行验证;非均值模型侧重于围岩体细观破坏过程,采用具有残余强度的弹塑性损伤本构模型及其破坏单元材料性质退化方法,模拟隧道围岩强度折减下的渐进破坏过程及声发射规律,并计算出整体结构安全系数。同时,借助声发射(AE)规律,探讨了类似工况下隧道围岩破坏模式,可为类似工程实践提供参考依据。