软岩大变形条件下围岩变形与围岩压力的关系研究

为获得软岩大变形条件下围岩变形与围岩压力之间的关系,为大变形让压设计提供依据,文章利用FLAC3D数值模拟软件,计算了某单线铁路隧道开挖后在无支护条件下洞周发生不同变形量后施作弹性支护结构的最大压应力,并以此间接反映围岩压力,得到围岩压力随围岩变形的释放关系曲线。将类似工程实例的监测数据与该关系曲线进行对比分析,结果表明:围岩压力随围岩变形的释放关系曲线分为陡降区、调整区和缓降区三部分;软岩大变形可分为收敛型和非收敛型两类,收敛型大变形隧道将可量测的洞周变形控制在15 cm(洞周半径的3%)以内是经济合理的,且施作常规系统锚杆效果最好;非收敛型大变形隧道可量测的洞周变形量超过63 cm(洞周半径的14%)时,围岩压力释放效果才进一步提高;通过大幅的洞周变形来减小围岩压力时,将导致塑性区的大幅增加,此时的系统锚杆作用微乎其微。     

复杂位移边界下地层空洞的稳定性分析

文章采用室内模型试验研究隧道开挖对粘性土层中赋存空洞的变形影响,地层中的赋存空洞的变形模式可分为径向收缩变形、椭圆化变形、竖向沉降变形和水平侧移变形4种及其不同组合。文章应用Airy应力函数法获得了复杂位移边界条件下空洞洞周应力场的精确解答,并根据剪切屈服条件求得地层变形引起的空洞周边塑性区范围,分析了不同变形方式对塑性区分布的影响。结果表明:空洞径向收缩使塑性区由左右两侧发展成闭合环形,且呈对称地向洞周45°斜上方围岩深部扩展;椭圆化变形加剧了空洞顶、底部地层塑性区的扩展;竖向沉降造成空洞顶、底部屈服范围向深部转移扩大;空洞水平侧移使塑性区逐渐向空洞另一侧转移并向围岩深部发展。因此,含空洞地层中城市隧道安全施工的核心问题是对空洞结构的稳定性控制。研究结果对城市隧道建设地层变形的精细化预测、地面塌陷事故预报具有重要意义。     

引水隧洞破碎带超前固结灌浆效果分析

引水隧洞穿越富水区并含有断层软弱破碎岩层时,常常会发生坍塌及大变形。文章针对干河泵站地下引水隧洞的复杂地质环境,提出了三维渗流应力损伤耦合的计算方法和显含断层薄层单元的模拟方法,计算模拟了引水隧洞复杂地质条件下超前固结灌浆后的开挖支护过程,定量评价了不同工况下引水隧洞围岩整体相对稳定状态,分析对比了有无超前固结灌浆下围岩破坏区分布及洞周变形变化规律。结果表明:超前固结灌浆后的围岩破坏和洞周位移变化情况明显减小;洞周围岩总破坏体积减少了1 252.9 m3,降低了43.98%;而断层处洞周位移最大值减小了54.92%。超前固结灌浆对断层破碎岩体的整体稳定有显著地改善。     

粉煤灰地层大断面连拱隧道超前支护研究

在粉煤灰地层中修建隧道往往会因其承载力低、受压沉降大等特点产生施工安全隐患,为防止拱顶产生过大沉降,在实际施工之前往往进行可靠的超前支护.本文以穿越粉煤灰地带的盐坪坝大断面双连拱隧道为工程背景,通过数值模拟分析不同超前支护方式下围岩的变形特征,研究各种超前支护方式对围岩的变形控制效果,最终比选出粉煤灰地层条件下大断面双连拱隧道最合理的超前支护方式.研究结果表明,在超前锚杆或者超前小导管作用下,隧道洞周水平位移呈现拱腰>拱肩>拱脚的变形规律,隧道竖向位移呈现拱顶>拱肩>拱底的变形规律,同时隧道变形主要以竖向变形为主.同时在4.5 m长、120°范围下的超前小导管支护下,左洞隧道拱顶沉降仅为8.73 mm,拱腰收敛仅为1.01 mm,相对来说支护效果最好.     

超大断面隧道大倾角层状围岩力学特性研究

文章以重庆轨道交通环线莲花村车站隧道工程为依托,采用有限元数值模拟对超大断面隧道开挖时大倾角层状围岩的力学特性进行研究。通过建立大倾角岩层数值模型,对隧道进行不同工况的分步开挖计算,分析得到大倾角层状围岩的塑性区、应力和位移变化规律。结果表明:大倾角层状岩体塑性区位于层面内,层面塑性变形最大;围岩最大拉应力发生在上部中导洞围岩开挖支护过程中,上部左导洞以及中导洞外壁围岩产生最大拉应力;最大压应力发生在上部中导洞开挖支护过程中,大倾角岩层上部右导洞以及中部右导洞在各工况中产生最大压应力;隧道中、下部右导洞水平位移在二衬施加后达到最大,围岩最大下沉量位于上部左导洞处。     

杆岩耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性主控因素及支护优化研究

由于深埋隧洞围岩显著的流变特点,其变形范围及洞壁位移通常在施作初期支护一段时间后才趋于稳定,因此研究锚杆支护后隧洞围岩变形范围及其洞壁位移量将为支护参数优化及预留开挖量提供重要的理论依据.文章通过建立预应力锚杆与隧洞围岩的相互作用力学模型,分析了杆体与围岩相对位移为零的中性点位置及其最大轴力值.基于锚杆中性点理论,推导...     

软岩隧道浅埋段围岩全位移空间分布特征研究

围岩位移信息的收集对指导新奥法隧道施工具有重要意义。在各种因素制约下,围岩位移信息采集不可避免存在损失位移。文章依托阿拉坦隧道工程实例,以现场实测全位移数据为基础,确定了各施工阶段的围岩应力释放率,并在此基础上,对隧道浅埋洞口段地表与拱部围岩的全位移变化规律进行了三维数值分析。结果表明:隧道开挖过程中,地表测点竖向位移最大为33 mm,与实测结果基本一致,且地表测点竖向位移远大于水平位移,竖向损失位移比例占围岩总位移量的比例高达42.86%;隧道拱顶围岩竖向位移计算值为60 mm,与现场实测结果基本一致,隧道拱部围岩不同方向的损失位移所占全位移的比例不同,水平方向约为21.42%,竖向高达40%以上;掌子面通过监测断面前后约1.0倍洞径范围内围岩变形速率较大,在此区间,围岩竖向位移发生量约占总沉降量的70%。     

穿越古滑坡川主寺隧道围岩破坏特征及稳定性研究

文章以川主寺隧道所处的工程地质条件为基础,通过现场调研分析了隧道围岩变形破坏形式主要为坍塌、掉块以及剥落.围岩稳定性三维有限元数值模拟结果显示,碎裂围岩自稳能力差,围岩变形以弹塑性变形、松弛变形为主;H型钢拱架支护结构对碎裂围岩稳定性起到积极的作用,并通过典型洞段现场位移监测数据分析结果得以证实.     

浅埋软弱围岩隧道变形特征研究

软弱围岩隧道受开挖扰动影响变形明显,施工中若稍有不慎,就会导致隧道塌方。文章以厦门莲岳隧道A匝道隧道为工程背景,结合隧道所处地质条件,采用数值模拟和现场监测相结合的方法,对浅埋软弱围岩隧道变形特征进行了研究。结果表明,对于软弱围岩隧道,不论是全断面开挖还是台阶法开挖,掌子面挤出位移最大,拱顶下沉和地表沉降次之,洞周收敛最小;隧道围岩变形可以分为掌子面前方的先行变形和掌子面后方变形,围岩条件越差,先行变形越大,约占总变形的10%~30%;采用台阶法等分部开挖工法,可减小对掌子面前方围岩的影响范围及变形。在对浅埋软弱围岩隧道的周边环境有严格变形控制要求时,要采取更为严格的预加固措施来控制隧道施工引起的围岩变形,以确保隧道施工及周边环境的安全。     

隧道围岩体内位移监测分析

隧道围岩体内位移监测结论对于判断围岩稳定性和保证施工安全与工程质量起着重要的作用。文章以一高速公路隧道为依托,介绍了围岩体内位移测量设备和工作原理,并通过对其围岩体内位移检测数据的分析,提出了隧道围岩体内位移监测的注意事项。     

深部巷道围岩支护阻力确定及其应用

文章通过理论计算获取围岩压力与位移,通过绘制P-U图分析支护与位移的关系,以此确定深部巷道围岩支护阻力。分析认为:在对深部巷道围岩压力和位移进行量化计算的基础上,可以确定深部巷道围岩支护阻力范围;利用P-U图中围岩与支护的关系,可选择合理的支护技术方案和支护时间。该方法在龙固煤矿主泵房洞室支护中进行了应用,结果表明:(1)采用实际围岩力学参数计算出的巷道围岩压力和位移符合工程实际,深部主泵房洞室围岩支护阻力的合理范围为4~6 MPa;(2)深部巷道的支护技术方案和支护时间可以依据支护阻力和P-U图确定;(3)该研究成果已成功用于煤矿工程实践。     

卵石地层地铁隧道近接施工位移特征研究

以北京地铁9号线某区间隧道近接既有铁路桥梁施工为背景,文章基于Hardening-soiJ本构模型采用三维数值计算与现场实测结果相对比的方式,研究卵石地层地铁隧道近接既有铁路桥施工的位移特征。研究得出的结论为:(1)卵石地层岩体较为松散,胶结性较差,围岩稳定性较低,可引入Hardening-soil模型模拟其应力-应变关系;(2)区间隧道开挖引发的竖向位移主要集中在隧道拱顶部位,并随着向地层深部的发展逐渐衰减;(3)地铁区间隧道施工引发的地表沉降可认为是两条单洞隧道地表沉降曲线的叠加,现场实测与数值计算得出的规律一致;(4)既有铁路桥结构最大位移值小于《铁路线路修理规则》的容许位移,现有开挖方式和支护参数满足既有结构安全运营条件;(5)地铁区间隧道开挖引发的地层、既有桥梁结构水平位移整体较小;(6)区间隧道开挖引起的土体扰动主要集中在隧道洞周5.4 m范围内。     

大伙房引水隧洞不良地质洞段围岩变形监测及支护措施分析

文章对采用TBM法施工的超长隧洞中含有断层和破碎带的不良地质洞段围岩进行的收敛变形监测数据进行了非线性回归分析,判断出了支护结构对围岩变形的影响。结果发现,支护初期围岩变形很大,仰供浇筑后围岩变形速率明显减小。因此在TBM施工过程中,对不良地质洞段除了一般的支护措施以外,应及时进行仰拱封闭施工;对不良地质洞段围岩变形进行定量分析,判断支护参数的合理性,为TBM顺利通过后面的不良洞段提供经验教训。本成果对同类工程的施工也有一定的借鉴价值。     

某大型地下洞室群断面变形监测数据的时序分形特征研究

文章以某大型地下洞室群工程项目为背景,首次引入标准极差(R/S)分析法处理收敛变形时程数据。首先,根据Hurst指数的基本含义并结合力学原理,指出分形维数代表断面变形的收敛速度,而Hurst指数本身代表监测开挖后围岩的松动程度;然后,计算分析了实际变形数据的Hurst指数及其分形维数,从而判断了变形时程曲线的动力特征,比较了同一断面各测线之间的区别;进一步分别计算了同一轴线上不同断面监测数据的Hurst指数值,推测了本工程区域内围岩变形性能的演变趋势;最后,总结了Hurst指数的影响因素及其算法的改进思路。     

预筑拱控制软弱围岩变形机理的研究

软弱围岩变形主要发生在掌子面前方,控制软弱围岩变形的关键环节是控制掌子面前方变形,即预收敛。预筑拱以其横向连续性好、施工速度快等特点在控制软弱围岩预收敛方面具有良好效果。文章通过FLAC3D建立三维数值模型,分析研究了预筑拱控制软弱围岩变形的机理。研究发现:(1)预筑拱能有效地控制隧道预收敛变形、收敛变形以及隧道上方围岩变形,围岩条件变差时预筑拱作用效果更加明显;(2)预筑拱能够有效地控制掌子面前方围岩的应力释放,从而有效地控制隧道上方坍落拱的发展范围,限制拱顶区坍落拱的分布区域,减少开挖对围岩的扰动,限制围岩应力重分布程度;(3)由于限制围岩应力释放,预筑拱所受围岩荷载比传统支护所受围岩荷载大。     

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。     

破碎围岩大跨公路隧道结构健康度评价方法研究

目前关于大跨隧道结构在松动荷载作用下的受力变形与损伤演化机理研究相对较少,缺乏运营期隧道结构的健康度评价体系与预警标准,不利于掌握隧道结构的安全状态。针对上述问题,文章通过建立二维及三维数值分析模型,研究了Ⅳ级、Ⅴ级围岩下大跨隧道结构在松动荷载下的受力变形特性,并依据变形及破损特征,建立了5级评价体系与3级预警标准。研究结论为:(1)拱部松动荷载作用下大跨隧道的破坏过程分为四个阶段,分别为设计荷载下的弹性受力阶段、拱部松动荷载下的弹性受力阶段、结构开裂后的塑性工作阶段及加速变形破坏阶段;(2)设计荷载下,采用荷载规范计算方法与三维数值模拟方法得出的隧道变形基本一致,验证了数值计算的可行性。通过数值计算,得出Ⅳ级围岩下结构极限承载力为734 kPa,拱顶沉降6.75 cm,边墙收敛1.56 cm。Ⅴ级围岩下结构极限承载力为812 kPa,拱顶沉降10.47 cm,边墙收敛4.06 cm;(3)以拱顶开裂、局部压屈、拱顶拱腰压屈、拱腰压屈达到衬砌厚度的1/3、钢筋拉断为关键节点,以结构受力、拱顶沉降、边墙收敛为评价指标,建立了Ⅳ级、Ⅴ级围岩下大跨隧道的健康度评价体系及预警标准。     

水平、垂直节理发育条件下的隧道稳定性分析

文章依托内蒙古呼和浩特市窑沟隧道工程实例,对典型断面所在区段的节理特征参数进行了采集,得到了实际地层中存在的近水平、垂直发育节理的详细参数;通过综合运用现场监测、室内模型试验、数值模拟手段,分析了隧道开挖后的上覆岩层运动行为与结构受力特征,研究了该类地层中围岩的变形特征与失稳模式,为后续的支护设计及其优化提供了参考。研究结果表明,在窑沟隧道所处的典型地层,即近水平、垂直节理发育工况下:(1)无支护开挖时,地层稳定性极差,塌落区与松动区集中分布于拱顶上方,最大塌落高度为0.48倍洞宽,塌落面积为0.51倍断面面积,拱顶等效荷载为0.084 MPa,松动区延伸至地表,近似呈三角形分布;(2)按设计方案施作初期支护后,地层松动范围明显缩减,高度降为1.1倍洞宽,拱顶最大沉降为7.7 mm,边墙收敛为3.4 mm,结构安全储备足够。     

深部极软岩巷道补充锚注加固机理及应用

文章采用有限差分软件FLAC~(2D),对深部极软岩巷道进行辅助锚注支护前后围岩变形破坏规律进行了数值模拟,对锚注支护施作前后锚杆的锚固力、围岩的位移及塑性区的变化情况等进行了系统对比。结果表明,辅助锚注支护显著提高了围岩的强度和承载能力,有效地控制了深部极软岩巷道的围岩变形。     

基于围岩径向位移释放率的超大断面隧道下穿施工围岩稳定性研究

依托黄黄铁路新建刘元隧道工程，采用数值模拟结合现场实测的方法，以围岩径向位移释放率指标分析采用全断面和微台阶两种工法下穿施工的围岩稳定性规律。结果表明，新建隧道下穿防空洞段采用微台阶法施工，在控制围岩径向位移释放率、塑性区分布及稳定安全系数等方面较全断面法优势突出；微台阶法下围岩径向位移释放率及围岩稳定安全系数分别为46.13%、2.13，全断面法下围岩径向位移释放率及稳定安全系数分别为78.08%、1.99；当台阶长度为3 m时，隧道下穿施工围岩稳定性相对较好。监测数据表明，采用微台阶法下穿施工，洞内变形满足规定要求，且变形值与模拟结果数值吻合较好，进一步验证模拟结果的可靠性。