基于修正Q值的武当群片岩岩体质量分级方法研究

地下工程建设中经常会遇到地质背景条件特殊的围岩,需要建立与之相适应的岩体质量分级方法。文章结合Q分级方法的特点和不足,以鄂西北地区武当群片岩为例,分析了武当群片岩水敏性、各向异性、构造偏压、水平构造应力等特征;并在此基础上提出了考虑岩块强度、岩体完整性、地下水、地应力、片理面产状等因素的修正Q分级方法,得到了以地下水(出露情况、水压)、地应力(大小、与洞室轴线夹角)、片理倾角等为修正系数的Q′分级方法的计算公式。以十房高速通省隧道为例进行分析验证,分级结果与围岩的实际质量等级基本一致。研究结果可为复杂工程岩体质量分级方法的建立提供参考。     

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。     

德格隧道冒顶和冒落破坏特征及处治技术

在川藏公路德格隧道施工中相继出现冒顶和冒落事故。文章利用数值模拟和现场测试对围岩及支护的位移和应力特征进行研究,就同一隧道发生冒顶和冒落的破坏特征和机制进行了深入分析,最后提出了相应的处治措施。研究表明:冒顶破坏以碎屑流变为主,而冒落破坏以碎裂变形为主;冒顶发生时拱顶部碎石土出现塑形变形区,冒落发生时因围岩中形成的竖向与水平方向应力差产生扩容现象;浅埋碎石土围岩自稳能力差,施工扰动引起隧道冒顶破坏发生,而深埋绢云石英片岩裂隙发育,受围岩自重和施工爆破影响诱发隧道冒落破坏。基于以上结论,现场主要采用了限制塑性变形及碎裂变形扩展、施作锚注支护体系、实施"强行"联合支护和加强支护参数等关键措施。     

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,同时根据开挖后围岩变形的差异——完好、掉块、塌方,定性统计整理得到了结构面空间组合对隧道开挖稳定性影响统计表,并给出了相应的施工建议。研究结果表明,隧道围岩变形破坏主要发生于结构面间距小于1.5 m,且J1倾角为45°～75°、J2倾角为103°～133°的空间组合条件下。     

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)。     

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。     

不同坡度偏压黄土隧道预留变形量的研究

由于黄土独特的物理力学性质以及偏压隧道特殊的不对称受力形式,使得浅埋偏压黄土隧道的预留变形量不同于一般隧道情况。文章以山西省孙家沟隧道为依托工程。通过对现场监测数据进行整理,利用最小二乘法进行回归分析,并使用有限元软件ANsYs进行数值模拟验证,得出了浅埋偏压黄土隧道围岩变形随偏压坡度变化的规律。研究表明,对于偏压坡度为15°~45°的V级围岩浅埋双洞黄土隧道,浅埋侧隧道的预留变形量可取为10-15 cm;而对于深埋侧隧道。当偏压坡度分别约为15°,30°和45°时,可分别预留约20~25 cm,25~30 cm和28~33 cm的变形量。     

两组耦合节理工况下隧道变形的数值研究

文章以玉山县高竹山隧道的围岩节理特征为基础,采用离散元软件UDEC建立二维计算模型,通过计算不同工况下的拱顶塌落高度值,研究了两组节理耦合工况下节理倾角、间距对隧道变形的影响。研究结果表明,随节理倾角的增大,塌落高度先增大(0°~30°时)后减小(30°~45°时)最后再增大(45°~90°时),且节理倾角为60°时塌落高度计算值与普氏理论值最为接近;当节理间距在0.2~1.0 m范围内时,随节理间距的增大塌落高度呈非线性减小;当间距接近1.0 m时,塌落高度降幅不明显;当间距不大于0.2 m时,计算值与普氏理论值最为接近。     

考虑围岩冻融损伤劣化效应的隧道长期稳定性研究

寒区隧道围岩受到冻融损伤劣化作用会对隧道长期稳定性造成不利影响。文章以鄂西北十房高速公路通省隧道片岩为例,通过室内冻融循环及压缩试验,得到单轴抗压强度与冻融循环次数之间的关系。根据掌子面围岩现场工程地质调查结果,并基于Hoek-Brown准则,估算出考虑冻融损伤劣化效应的岩体力学参数。然后采用FLAC3D对冻融循环条件下隧道的长期稳定性进行数值分析,分别得到0次、4次、8次、12次、16次、20次冻融循环条件下隧道衬砌位移场及应力场变化特征。结果表明,冻融循环作用下,隧道衬砌的变形及主应力均出现了不同程度的增大。与不考虑冻融损伤劣化作用相比,经过20次冻融循环作用后,衬砌的变形、最大主应力、最小主应力分别增大了1.3%、5.3%、1.5%。在支护方案选择及支护结构设计时,有必要考虑长期冻融循环作用下围岩力学特性损伤劣化对隧道稳定性的影响。     

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道两斜交45°方向呈"蝴蝶"状分布,位移峰值位于隧道的拱肩及拱脚部位,位移分布不对称性明显;隧道边墙附近围岩主要表现为层面间张拉破坏,隧道拱部附近围岩主要表现为层面间错动滑移破坏。基于以上分析结果,针对现场支护参数提出优化措施,并进行隧道变形及支护受力监测。现场监测结果表明:支护参数经调整后,对围岩形变控制效果明显,有效改善了隧道偏压受力现象。     

汶川地震公路隧道震害规律研究

结合汶川地震灾区公路隧道震害资料,文章制定了公路隧道震害量化指标并进行分级,对汶川地震公路隧道震害规律进行了研究。研究结果表明:隧道衬砌开裂长度占隧道总长度比例最高,二次衬砌垮塌及仰拱错台长度次之;多数震害类型在V级围岩中发生的比例均高于其它级别围岩;X、XI度地震烈度区,断层段破坏程度最严重,其次是洞口段;震害严重程度随震中距增加而迅速衰减,发生严重以上震害的隧道集中于10 km以内,近三分之二发生于20 km范围;坚硬岩体中的隧道,震害程度随埋深增加而减轻,软弱围岩中的隧道,震害程度与埋深关系不明确;发生严重以上震害的隧道,实际地震烈度均高于设防烈度,出现中等震害的隧道,近三分之二的隧道实际地震烈度高于设防烈度;隧道轴线与发震断层交角为60°~90°,震害严重,轴线与发震断层交角为30°~60°,震害相对较轻;防水板致使初期支护和二次衬砌在地震时不能协同工作,增加震害风险。     

隧道大变形施工处治技术

利用国内外已有成果,结合某隧道实体工程,研究分析了软弱围岩隧道大变形施工处治技术,归纳出了其围岩大变形的破坏特征,分析了其大变形产生的原因,提出了合理的施工方法和处治措施,可供软弱围岩隧道施工参考.     

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。     

富水砂层影响下隧道围岩变形破坏机制的数值模拟研究

为研究富水砂层影响下隧道围岩的变形破坏机制,文章以某城市地铁M2号线某区间隧道为研究背景,考虑了流砂层厚度、隔水层厚度、地下水位、隔水层粘聚力和内摩擦角五大类因素影响,设计了25种对比方案,开展了数值模拟对比研究,得到了不同因素对围岩变形破坏机制的影响规律及各因素影响敏感程度,给出了相应工程建议措施。结果表明:对于上覆富水砂层隧道,拱顶是围岩变形破坏的关键部位;随隔水层厚度、粘聚力及内摩擦角增大,顶部围岩变形量及塑性区面积不断减小,而随流砂层厚度增大或地下水位上升,顶部围岩变形量及塑性区面积则不断增大;隔水层厚度及粘聚力是影响此类地层条件隧道围岩变形破坏的显著性因素,一方面在隧道线路设计中应保证拱顶留设足够的隔水层安全厚度,另一方面可通过对隔水层进行注浆加固的方式,提高此类地层条件隧道围岩的稳定性。     

梅岭关隧道水平岩层稳定性分析与施工技术

水平岩层是地下工程中经常遇到的一种岩体,具有明显的各向异性力学性质,其变形破坏特征表现得更为复杂.为了及时预防大跨度隧道穿越水平岩层施工过程中极易出现的平拱、拱顶离层破坏、拱顶弯折内鼓等危害现象,确定合理的支护方案,文章结合新建兰渝铁路梅岭关隧道,根据现场跟踪调查和试验,在对隧道地质特质和影响围岩稳定性因素等进行分析的基础上,提出针对性施工技术措施,并经施工实践证明,避免了隧道坍塌等恶性安全事件的发生,从而有效指导了隧道设计和施工.     

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。     

不同节理倾角对红层地区偏压隧道围岩稳定性的影响

以达州至万州高速公路沙坝湾隧道靠近洞口偏压段为研究对象,采用数值模拟的方法,研究了红层地层不同节理倾角下隧道围岩力学响应、变形特性。研究表明:红层地层中节理倾角对围岩应力和变形有较大的影响;当节理倾角与偏压坡面垂直时,隧道周边围岩水平方向应力与变形最大;当节理倾角与偏压坡面平行时,隧道周边围岩竖直方向应力最大。     

基于区间估计法的隧道监测数据统计特征分析及预留变形量研究

针对玉楚高速公路隧道变形量值分布范围及预留变形量的问题,文章采用区间估计方法,选取了14座隧道471个断面的监控量测数据,进行不同围岩级别、埋深下的规律统计分析。基于监测数据的统计学特征表明:隧道埋深增大时,其变形也增大,Ⅳ级围岩隧道较Ⅴ级围岩变形量值要大(与支护强度有关),需重视Ⅳ级围岩的变形与控制;Ⅳ级、Ⅴ级围岩隧道变形在40 d左右时趋于稳定,建议在开挖历时40 d后施作衬砌。同时,对于Ⅳ级围岩隧道,埋深小于50 m时,建议预留变形量为17 cm;埋深50～300 m时,建议首先提高初期支护强度,预留变形量可设为50 cm;对于Ⅴ级围岩隧道,埋深小于50 m时,建议预留变形量为18 cm;埋深50～300 m时,建议预留变形量为32 cm。     

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。