基于变形潜势的挤压性围岩隧道控制技术研究

研究目的:随着铁路、公路交通网络建设的推进,挤压性隧道大变形现象十分突出,常常伴随着大规模的变形破坏,变形控制难度极大。挤压性围岩隧道变形控制的主要难点是如何划分变形潜势等级、确定支护体系和施作时机。本文结合以往挤压性大变形隧道建设经验,对挤压性围岩隧道上述基本问题进行深入的分析探讨,达到控制变形的目的。研究结论:(1)基于应力场分布特点,将挤压性围岩隧道变形分为"应力型"、"构造型"、"复合型"三种类型;(2)变形潜势是指围岩内部潜在应变能的强弱,可根据变形总量将变形潜势分为"常规、轻微、中等、强烈";(3)变形潜势随变形速率的增大而增强,可根据支护初期变形速率评价变形潜势强弱、围岩与支护体系适应性;(4)揭示了挤压性围岩隧道长、中、短锚杆的作用机理,提出了锚固体系施作时机,确定了合理的钢架的形式、预留变形量;(5)提出挤压性围岩二次衬砌施作时机可按2～4 mm/d控制;(6)本研究能够为挤压性围岩隧道的设计及变形治理提供参考。     

隧道围岩挤压变形预测方法研究

研究目的:围岩挤压变形预测是高地应力地区软弱围岩隧道勘察和设计阶段的一项重要工作。目前常用的临界埋深法和临界应力比值法均有局限性,迫切需要提出更加符合实际的隧道围岩挤压变形预测方法。研究结论:围岩挤压变形预测可采用强度应力比进行,建议采用Hoek-Brown经验强度公式和GSI法对岩体强度进行估算,F中地应力应取垂直于隧道走向的最大地应力。挤压变形破坏大都发生在F≤1的情况下,而剧烈挤压变形一般发生在F≤0.5时,可将0.5和1分别作为不同级别挤压变形的临界预测值。实践表明,采用F值法对围岩挤压变形进行预测是可靠的。     

兰渝铁路高地应力软岩隧道变形机理和施工控制

研究目的:兰渝铁路二叠系高地应力软岩隧道挤压变形是施工中的突出难题,在施工过程中过对软岩隧道的地质特征、地应力特征、变形特征、支护压力及支护破坏特征等进行监测分析,以便及时掌握高地应力软岩变形机理,确保施工的顺利进行。研究结论:通过研究表明:(1)随着埋深和地应力的增加,初期支护强度、支护结构刚度也应相应增加,否则容易出现坍塌,施工中采用套拱的方法能有效控制变形;(2)对兰渝铁路二叠系软岩大变形不应套用现行分级标准来划分,应结合施工实际确定与之相适应的支护结构及措施;(3)极高地应力对岩体稳定性的影响程度应结合工程实践进行具体分析,边墙及拱腰是施工大变形关键部位,需要及时调整施工参数和加强支护措施来确保施工的顺利进行;(4)本研究成果可应用于指导二叠系软岩隧道结构的设计和施工。     

兰渝线木寨岭隧道施工力学行为实测与分析

结合木寨岭隧道工程,对施工区域地应力进行测试,并对地应力场进行拓展分析。通过对隧道掌子面流变特性、变形速率与总变形量、围岩压力、支护压力、锚杆受力、围岩破坏范围的测试和分析,提出高地应力、软岩隧道的挤压性变形具有变形量大、变形速率高、变形持续时间长、前后期均呈"来劲"等特征,以及围岩压力以形变压力为主等结论,并建议取消拱部锚杆,加长边墙锚杆,抑制隧道变形。     

挤压性围岩隧道判识及设计方法研究

结合我国兰渝铁路、兰新铁路、成兰铁路等典型挤压性围岩铁路隧道的建设经验,系统性阐述了挤压性围岩的地质背景和构造特征,分析挤压性围岩形成的条件;探讨挤压性围岩的变形机理和变形特征;提出基于变形潜势的挤压性围岩变形等级划分标准,并研究掌子面上易操作的变形潜势判定方法,总结勘察、设计、施工阶段变形潜势划分依据;基于乌鞘岭隧道...     

渝黔铁路极高地应力隧道施工控制技术

研究目的:渝黔铁路天坪隧道长为13.928 km,是全线控制性工程,地质情况极为复杂,其中进入斜井施工后,发现出现初支变形严重、底板隆起等现象,经实测判定该地段为极高地应力区,易发生大变形现象。因此,应研究安全可靠的施工措施完成高地应力区段的施工。研究结论:通过在天坪隧道的施工实践,总结出以下施工措施确保极高地应力施工安全质量:(1)应增加预留变形量,确保高地应力软岩变形后不侵限;(2)应加强监控量测,预测围岩变形量,以便指导施工;(3)应及时调整支护参数,动态适应围岩;(4)当初支变形速率7 d连续小于1 mm/d时,及时施作二次衬砌混凝土;(5)本研究结论可为类似高地应力隧道施工提供参考与借鉴。     

高地应力软岩隧道合理支护方案试验研究

研究目的:基于高地应力软岩隧道在施工过程中产生大变形的问题,采取包含传统喷锚支护在内的三种支护方式现场进行试验研究,根据围岩变形、围岩压力、钢拱架应力和二衬混凝土应力等监测结果,分析兰渝铁路新城子隧道试验段的稳定性并选择适宜的支护方案。研究结论:(1)采用传统的喷锚支护方式难以有效解决高地应力软岩隧道施工中围岩的大变形问题;(2)采用环向注浆加固围岩+型钢拱架初支可以在一定程度上改善围岩的条件,减小围岩变形和钢拱架应力以及二衬混凝土应力;(3)采用双层初支,即采取先让后抗的支护方式,既可以吸收一部分围岩变形,减小初支的变形和钢拱架应力,同时也可以提供稳定的支护力,使二衬受力也相对较小,因此采用双层初支对控制高地应力软岩隧道的大变形具有明显优势;(4)本研究成果可为高地应力软岩中类似工程施工支护方案的选择提供参考。     

挤压性围岩隧道变形控制技术研究

高地应力软岩地质环境引起的挤压大变形破坏是一种严重的工程地质灾害,针对川藏铁路隧道可能发生的挤压大变形问题,本文结合兰渝铁路大变形隧道的施工经验,在分析和总结挤压性围岩隧道变形破坏特征基础上,分析了设计阶段和施工阶段的变形分级标准,并根据"抗放结合,前期控制性释放为主"的大变形处治原则,从支护、围岩、应力及施工等方面总结了变形控制技术措施,主要包括:(1)采用排架式和桁架式结构加强支护;(2)采用超前小导管、管棚、锚杆或锚索等加强围岩;(3)采用超前导洞、微台阶、增设缓冲层、分阶段张拉锚索、分层施作多层支护等方式进行应力释放;(4)采用弱爆破或非爆破方式;(5)采用加强资源配置、优化工法等方式实现支护快速成环。     

高地应力软弱围岩变形控制方法

研究目的:探讨高地应力软弱围岩大变形的控制方法,并通过具体施工应用,进行现场监控量测试验验证。研究方法:结合乌鞘岭特长隧道最大断层---F7断层高地应力软弱围岩的地质特征及其变形特征,简要分析了支护临界失效点,围岩质量、允许变形量、变形速率和运输方式等与工序间距离的关系,具体从地质超前预报、隧道支护结构和施工方法三个方面进行探讨。研究结果:得出了高地应力软弱围岩围岩条件下,隧道施工支护参数与工序间距离确定的基本方法、一些经验参数和施工基本要求,并对施工中应注意的事项提出了建议措施。研究结论:在高地应力软弱围岩条件下进行施工,要根据掌子面围岩变化情况及时适当地调整支护参数和施工方法,才能有效地控制变形。     

铁路岩体初始应力场评估的探讨

研究目的:在实际工作中,根据地应力资料进行评估,铁路绝大部分隧道都处于极高地应力、高地应力状态,引发围岩调整、工程措施加强,从而会引起投资大量增加,甚至在分析隧道衬砌开裂和变形的原因时引发大的争议和混乱,但实际已开挖的隧道发生岩爆、大变形的工程案例却是极少数。本文通过岩体力学理论、地应力资料、工程案例并结合相近行业有关规定,对铁路规范中的铁路岩体初始应力场评估进行探讨。研究结论:(1)铁路规范对初始地应力场的评估不符合实际,应修改,初步判定实测地应力大于30 MPa时,岩爆发生的可能性增大;(2)对初始地应力场的评估结论应慎重,引发的增加投资应纳入动态设计;(3)勘察设计阶段的地应力测试应合理、适当;(4)该研究成果可应用于铁路规范修改及隧道勘察。     

同寨隧道进口变形控制技术研究

研究目的:同寨隧道进口受高地应力、碳质板岩等地质因素作用,在以I18型钢为主的初期支护参数支护下,施工中出现大变形,拱架扭曲、喷混凝土脱落,严重影响施工安全和进度。本文意在寻找解决大变形的方法,为后续施工提供参考。研究结论:经研究分析得出以下变形控制技术措施:(1)在地应力大变形段采取以抗为主的支护措施,坚持"先强后优化"的原则,支护一次到位,从而达到控制变形的目的;(2)软弱围岩开挖后及时支护,尽早封闭成环,并且适时进行径向注浆,有效加固松动的围岩,改善围岩性能,减少作用于支护结构上的围岩压力,使支护与围岩共同形成受力体系,共同抑制隧道变形的发生;(3)减少开挖对围岩的扰动次数,尽早施作仰拱,严格控制初期支护闭合时间;(4)本文对隧道碳质板岩的控制变形措施,可为类似工程提供借鉴。     

挤压性围岩隧道变形分级与控制对策

挤压性围岩隧道变形分级和控制对策一直是困扰隧道界的主要技术难题。本文系统地总结和分析了挤压性围岩隧道变形分级的国内外研究现状,建立了挤压性围岩隧道设计阶段变形潜势分级、施工阶段变形验证的分级标准体系,并据此对以往典型的挤压性围岩隧道变形进行了等级划分;通过对以往典型隧道工程变形控制对策的系统总结,提出了对应于变形分级的挤压性围岩隧道变形控制对策。     

高地应力板状软岩隧道大变形控制试验研究

研究目的:针对板状高地应力软岩隧道开挖的大变形问题,采用单层初期支护+双层二衬的结构形式进行支护,并进行现场试验,对初期支护、钢拱架以及两层二衬的变形与受力进行了测量,分析该支护结构在控制高地应力软岩隧道大变形方面的效果及该方案的可行性是本文的主要研究目的。研究结论:(1)传统的初期支护方式在控制高地应力软岩隧道的大变形方面效果不佳;(2)板状岩层的走向和岩层的倾角对高地应力软岩隧道开挖后的变形及受力会产生影响,一般来说,在垂直于板状软岩岩层(倾斜线)方向上的挤压力最大;(3)采用双层二衬结构,使初支与围岩一起产生变形而消除围岩的部分压力,第一层二衬起到强而稳定的支护作用并承担绝大部分的围岩压力,使第二层二衬受力很小而起到装饰作用,因此从高地应力软岩长期流变性的角度考虑,双层二衬结构对高地应力软岩隧道建成后的长期稳定性和安全运营具有很好的保障作用;(4)本研究成果可为类似工程的施工提供参考依据。     

山岭隧道大变形危险性评价的功效系数法研究

研究目的:山区铁路隧道地质条件复杂,构造作用强烈,软弱围岩大变形灾害频发,经常会引起支护结构变形、开裂甚至坍塌等,对其进行科学合理的危险性评价并采取针对性的防护措施具有十分重要的意义。本文通过综合分析大变形破坏特征及发生规律,构建完善的大变形评价指标体系。采用层次分析法和熵权法相结合综合确定各个指标的权重,基于功效系数法理论及计算规则,构建一种隧道大变形危险性评价模型,将其应用于成兰铁路杨家坪隧道大变形危险性评价。研究结论:(1)大变形与围岩洞壁最大主应力、岩石抗压强度、围岩强度应力比、岩石弹性模量、围岩级别、地质构造、地下水密切相关,评价指标总体反映了大变形发生所需的地应力环境、围岩性质和岩性条件;(2)结合层次分析法和熵权法,通过引入距离函数,综合主观赋权和客观赋权建立组合赋权规则,解决了单一客观或主观权重的差异性和片面性问题,使得大变形评价指标权重的确定更加符合实际、更具科学性;(3)本文模型评价结果的准确率达到90.9%,验证了模型的可行性和准确性,可为预防隧道大变形灾害发生、降低施工损失及安全运营提供科学依据。     

高地应力状态下硬质碎裂岩隧道变形机理研究

高地应力状态下硬质岩隧道产生岩爆,软质岩隧道产生大变形,在山区隧道建设中会经常遇到,也进行过大量的研究,但关山隧道硬质闪长岩在施工中遇到罕见的、特殊的大变形问题。通过对隧道区地质环境背景、岩石成分、岩体结构面特征、原地应力大小研究,配合理论分析,直观地解释硬质碎裂围岩的变形破坏特征与机理,为采取经济、合理的支护措施提供依据,隧道变形控制良好。     

中老铁路隧道软弱围岩大变形特征试验研究

针对中老铁路穿越琅勃拉邦缝合带引发的隧道大变形问题,采用室内外试验、数值模拟等方法,研究缝合带内5座隧道的围岩强度、地应力场分布规律、围岩松动圈范围以及隧道宏观变形破坏特征,提出相应的变形控制措施。试验结果表明:隧道群岩石平均单轴抗压强度约12.7 MPa,采用广义Hoek-Brown屈服准则换算得到岩体平均抗压强度约1.67 MPa;空心包体应力解除法测得隧道群最大主应力均为水平方向,且与隧线方向大角度相交,最大与最小主应力之比均大于1.5;声波法测得围岩松动圈范围为5.5～7.0 m,超过隧道洞跨的0.65倍;围岩变形最大水平收敛达600 mm以上,相比同类隧道,隧道群的变形量更大、变形速率更高且水平挤压收敛变形更为突出。数值模拟进一步揭示,隧道群围岩变形具有显著的非线性和非对称性特征,会进一步加剧隧道围岩大变形的发生。为此,提出隧道变形控制措施以调整隧道断面结构形式、改变施工工法及台阶长度、优化锚杆间距和方位以及加强拱架和锁脚强度为主。     

层状围岩隧道大变形等级判别及处理

研究目的:隧道大变形的处理俨然已成为一道世界性的难题,而其中层状围岩的大变形几乎占到90%以上,极大地困扰着隧道的建设者。针对层状围岩正交各向异性的特点,国内研究较少,采用以各向同性为理论基础的强度应力比理论判定层状围岩大变形等级有一定的局限性。本文结合在建铁路成兰线、成昆线的隧道大变形处理,剖析当下一些对层状围岩大变形认识的误区,从而提出适合层状围岩大变形判别的标准。研究结论:(1)采用强度应力比判定正交各向异性的层状围岩大变形等级,因局限性较大,仅适合一些薄层状的千枚岩、断层压碎岩等各向差异较小的围岩;(2)结合变形监控量测情况,并根据层状围岩软弱夹层的含量来判断大变形的等级,该方法简单、可靠;(3)层状围岩破坏时大致经历"软弱夹层屈服破坏、变形→相邻临空侧岩层的破坏、变形→支护结构变形、开裂、侵限"的过程;(4)层状围岩的变形和破坏主要是在层状围岩中软弱夹层的法线方向上,设计者应根据岩层的产状有针对性地进行差异设计;(5)本研究结论可适用于隧道工程中各类层状围岩下隧道大变形的等级判定及其处理。     

铁路隧道施工围岩变形安全等级的研究与应用

研究目的:我国在建铁路隧道有4 000余座约8 000 km,近年来隧道塌方事故时有发生,造成了一定的人员伤亡、经济损失和社会影响。建立铁路隧道围岩变形安全等级,用于现场管理十分重要。通过调研国内外研究成果,分析安全监测数据,辅以理论计算,以初期支护的安全度为基础,制定了铁路隧道变形控制安全等级管理数值。研究结论:(1)现有铁路隧道围岩变形安全等级管理与国际基本不接轨;(2)利用规范建议的设计参数,采用数值模拟计算,Ⅳ级围岩隧道开挖支护后拱顶沉降为11 mm、V级围岩为19 mm,而现场实测远大于该数值,因此,隧道围岩变形主要受控于开挖工法、初期支护施作质量以及初期支护闭合的及时性;(3)按变形总量和变形速率对隧道围岩变形进行预警二级、预警一级管理,变形总量Ⅲ级分别为40 mm、80 mm,Ⅳ级分别为50 mm、100 mm,V~Ⅵ级分别为75 mm、150 mm,变形速率分别为5 mm/d、10 mm/d;(4)研究成果可用于铁路隧道施工围岩变形监控量测安全管理。     

软岩大变形发生的边界条件及对策探讨

研究目的:软岩大变形是长期困扰隧道施工的难题。以往研究多以强度应力比作为大变形预判和潜势分级的依据,但存在相当大的局限性和误判、漏判的可能性。本文从地壳运动出发,以区域地质条件中的地应力场、地层岩性、地质构造为主要支撑点,通过对大量典型隧道大变形地质条件的分析,定性地提出大变形发生的边界条件,并论证了通过试验段确定大变形支护参数的思想。研究结论:(1)大变形是人为改变内营力,导致地壳结构改变、地壳内部物质变位的构造运动;(2)大变形发生的边界条件主要有:最大主应力近于水平,薄层极软岩(R 5 MPa)占比较大,以及适宜的构造条件;(3)大变形隧道的支护参数应在施工中考虑地质条件、工艺工法及施工组织等因素,通过开展试验段确定;(4)本研究成果适用于软岩隧道大变形的预判和工程处理。     

岩石损伤强度理论与隧道设计施工应用探索

研究目的:介绍岩石损伤强度理论及工程应用尚存在的问题.探索研究成果在当前隧道设计施工中应用的可能性.对隧道"承载拱"形成机制、影响因素进行分析,探索提高围岩承载能力的途径.研究结论:(1) 岩石损伤强度理论的研究成果与方法对隧道设计与施工具有指导意义,可在理念层面加以应用;(2) 改善应力状态有助于提高围岩的承载能力;(3) 围岩的承载能力是时间的函数,可以通过施工措施加以控制;(4) 在地壳浅层,隧道设计荷载取决于应力状态和洞周围岩整体破坏的范围;(5) 应重视施工措施对围岩承载能力的负面影响,施工过程必然在围岩中产生正、反2种作用,施工要做的是将正向作用发挥到极至;(6) 尝试在宏观层面开展能量耗散与释放机制及相应超前探测技术研究,对加快隧道设计施工基础理论的科学化进程有积极作用.