水平层状高铁隧道岩体爆破成形控制研究

为解决爆破开挖引起的水平层状围岩隧道成形困难的问题,以在建西延高铁宜君隧道为工程依托,分析了水平层状岩体隧道爆破成形影响因素,包括地质因素、设计因素和施工因素,并提出了爆破参数优化措施,调整了影响隧道爆破成形效果的光爆层厚度和周边眼间距参数,运用有限元软件建立水平层状岩体隧道爆破模型,对优化后爆破方案进行分析,通过对层状岩体隧道围岩损伤特征和超欠挖效果研究,结果表明,爆破参数优化后,隧道超挖最大量控制在0.21 m,有效改善了水平层状岩体爆破成形效果,提高层状岩体围岩稳定性,确保隧道爆破施工安全。     

水平层状泥岩铁路隧道底鼓机理及解析方法研究

西南地区缓倾层状泥岩地层铁路隧道仰拱底鼓病害频发,当列车高速通过时因轨道不平顺导致晃车现象,严重影响列车行车速度及安全。针对缓倾层状泥岩铁路隧道底鼓病害问题,以YD隧道底鼓段为研究对象,通过对隧道底鼓段进行长期变形监测和理论分析,对缓倾层状泥岩铁路隧道底鼓特征及机理开展研究。研究结果表明：隧道左线、中心和右线道床板中心位置处测点底鼓明显,即仰拱中部底鼓量较大,底鼓严重区段6 a持续上鼓约69.75 mm,沿隧道纵向底鼓区段长度约40 m,而隧道两侧边墙墙脚处未发生变形;对于中薄层缓倾层状泥岩地层,在水平构造应力作用下,隧道仰拱底部缓倾层状岩体在弹性阶段向临空面发生一定程度的挠曲变形,隧道边墙围岩沿节理面发生水平剪切滑移变形,隧道拱顶部位围岩发生垂直层理面的弯曲变形,由于衬砌结构作用拱部围岩变形较小。依据隧道平底板受力特征,基于竖向及水平双向荷载作用的简支梁力学模型,建立缓倾层状围岩隧道底板底鼓力学解析模型,分析揭示了隧道仰拱最大底鼓变形量与弹性模量E和底板厚度h成反比,与竖向地应力σz,水平地应力σx和隧道跨度l成正比。研究成果可为类似工程隧道仰拱设计及底鼓治理提供理论依据。     

深路堑内浅埋层状软岩隧道锚特性试验研究

研究目的:浅埋层状软岩隧道锚锚塞体与围岩相互作用的变形特征及承载机制复杂,难以用规范或工程类比进行分析研究,为研究隧道锚的变形规律、破坏特征及承载特性,通过现场开展1∶10缩尺模型试验,确定隧道锚的变形特征及承载力安全系数,探明软岩、浅埋、层理面等因素对隧道锚的影响,最终对隧道锚进行安全稳定性评价。研究结论:(1)在各级荷载下,隧道锚的变形从后锚面开始产生并向四周围岩衰减,锚体与左右侧围岩的变形呈较规则的对称双驼峰形;(2)在设计荷载下,锚塞体的变形最大,最大变形值为0.054mm,根据相似原理获得原型隧道锚在运营期的最大变形为0.5 mm;(3)隧道锚的极限承载力高达18倍设计荷载,锚塞体在极限荷载下致使正上方浅埋岩体发生斜向上拱起破坏,破裂面由层理面原始裂缝扩展延伸,致使破坏范围超过4倍洞径;(4)隧道锚的变形限值和围岩安全系数均满足规范要求,验证了隧道锚的安全稳定性;(5)本研究成果可为油溪长江大桥隧道锚系统安全评估提供可靠的依据,也可为相关工程提供技术参考。     

不同地应力场软岩隧道渐进破坏试验与分析

针对软弱地层中常常发生的隧道塌方事故,以Ⅳ级围岩深埋公路隧道为对象,利用模型试验方法研究特定应力场下无支护隧道围岩的渐进破坏机理。采用弹塑性损伤本构模型,对模型试验工况进行有限元数值模拟,并在此基础上,对不同初始地应力场的情况进行扩展分析。研究结果表明:1)隧道开挖后围岩的破坏区主要集中在隧道拱顶上方,数值计算中用损伤变量最大值表示的破坏区与模型试验吻合较好;2)随着侧向压力系数的增大,松动破坏区面积随之扩大,且主要区域由隧道边墙两侧逐渐转变为隧道拱顶、拱底区域;3)随着侧向压力系数的增大,边墙水平收敛位移逐渐减小,拱顶收敛位移逐渐增大。     

高铁隧道穿越断层破碎带施工方法及稳定性分析

针对新建福州—厦门高速(350 km/h)铁路碧峰寺隧道穿越F7断层破碎带施工潜在的地质灾害,提出隧道采用三台阶临时仰拱、超前帷幕注浆、弱爆破、早封闭、勤量测的联合施工方法穿越断层破碎带,利用有限差分程序建立了三维数值计算模型,研究了施作和未施作超前注浆预加固作用下隧道施工破碎带围岩的稳定性。研究表明:预注浆加固措施作用下,断层破碎带隧道施工围岩最大变形量降低了137.8 mm,达到了设计的预留变形量,拱顶和拱脚附近应力集中明显减弱,改善了围岩的稳定性,提出的施工方法对破碎带围岩扰动小;结合现场施工监测数据,验证了这种断层破碎带联合施工方法的可行性和适用性;最终隧道施工成功穿越了断层破碎带,保障了工期和施工安全,能为类似工程提供借鉴意义。     

隧道开挖面接近地质界面时围岩位移特征及其影响因素分析

用FLAC3D分析隧道开挖面接近地质界面时隧道围岩变形行为以及侧向应力、纵向应力、洞室形状、地质界面倾角对隧道围岩位移的影响规律.结果表明:当隧道由硬岩向软岩掘进时,随着开挖面逐渐接近前方地质界面,隧道拱顶和边墙位置围岩的位移均有明显的增加;当隧道由软岩向硬岩掘进时,开挖面以及开挖面前方的拱顶和边墙位置围岩的位移均有明显的减小;隧道掘进至硬岩与软岩的地质界面,隧道边墙位置围岩径向位移随侧向应力的增加而增加,拱顶和边墙位置围岩的纵向位移随纵向应力的增加而增加;矩形隧道时围岩的位移最大,马蹄形隧道时次之,圆形隧道时最小;地质界面倾斜时围岩的位移均比地质界面垂直时大.     

冻融损伤对大准铁路言正子2~#隧道围岩稳定性的影响

以大同—准格尔铁路言正子2#隧道为工程背景,运用数值计算方法对冻融循环作用下隧道围岩的稳定性进行了分析。结果表明:言正子2#隧道病害主要由冻融损伤造成,病害类型主要为拱顶开裂和边墙剥落;隧道围岩最大水平位移、最大垂直位移和最大主应力均随冻融循环次数的增加而增大;隧道围岩最大水平位移出现在边墙,最大垂直位移出现在底板中心,最大主应力出现在拱脚,故边墙、底板中心和拱脚易产生混凝土开裂、剥落等病害;经历不同冻融次数后隧道围岩均未出现拉应力,表明衬砌有效地控制了围岩变形。     

黄土隧道围岩压力拱效应分析

以兰渝铁路大断面黄土隧道工程为背景,采用数值计算和模型试验对黄土围岩压力拱效应进行分析,可得结论:(1)由于荷载传递路线发生偏转,拱部围岩切向应力因承担径向传来的荷载而增加,且离隧道边界越近应力增幅越大,压力拱边界向围岩深部扩展。(2)靠近隧道洞周,边墙处应力路径切向应力、径向应力低于原岩应力,切向应力表现出较强的应力集中,径向应力只有小幅增加。(3)相对于黏性土,黄土抗剪强度较小,需要更大范围的土体参与承受围岩压力,致使压力拱外边界远离隧道断面;黄土围岩压力拱边墙处最大,拱顶处次之,拱底处最小。(4)黄土围岩破坏过程表现为局部裂隙产生、局部裂隙扩展、裂隙急剧贯通、残余强度等4个阶段;拱顶松动塌落出现在边墙剪切滑移破坏基础上。(5)数值分析与模型试验所得黄土围岩压力拱的范围基本相符,验证了压力拱的客观存在;压力拱承担着自重与外部土体荷载,自洞周向围岩深部依次为松动区、压力拱、原岩应力区。     

水平层状围岩铁路隧道地震动力响应特征研究

研究目的:中国汶川8.0级特大地震中,均出现了大量隧道结构的严重震害。国内学者对隧道结构抗震进行了细致深入的研究,主要集中在复杂地质及破碎地段隧道地震反应、偏压隧道与隧道洞口段地震反应、隧道抗减震研究等方面。虽然目前关于隧道与地下结构抗震分析的研究颇丰,但大多是按照均匀连续介质模型进行模拟,考虑水平层状围岩特性的隧道结构动力响应分析还不多见。本文基于连续介质力学的离散元方法软件CDEM模拟水平岩层的结构面特性,主要针对不同水平岩层的厚度和不同地震动输入方向,共计12种计算工况,分析隧道衬砌关键部位的动力响应特性。研究结论:(1)结构面(层面)存在会引起主应力增加,产生相对位移,降低加速度,尤其对穿越中厚层状围岩的隧道要加强措施;(2)地震动方向对隧道衬砌大主应力的影响比较明显,特别对拱顶、墙腰、仰拱的大主应力(压应力)影响比较大,对拱顶的影响尤其明显,且岩层越薄,影响越大;(3)地震动方向对隧道衬砌拱顶的拉应力影响特别大,在竖向地震作用下,拱顶的拉应力将超过1.54 MPa,当岩层层厚为0.2 m时将超过2.66 MPa,已经超过了混凝土的抗拉强度,水平层状围岩隧道拱顶衬砌需加强;(4)该研究结论对类似地质条件下地下工程的建设具有指导意义。     

铁路标准断面隧道节理倾角效应研究

以郑万铁路黄家沟隧道标准断面为研究对象,对不同产状岩质隧道进行稳定性分析,研究围岩力学响应、变形特性以及锚杆力学特征,阐明不同于传统松散介质的层状岩质隧道失稳模式及锚杆支护要点。结果表明:节理面极大削弱了岩体稳定性,开挖会引起沿层理面滑动,导致明显地质偏压。隧道开挖使得层间节理首先被破坏,节理离层区不是发生在最大主应力方向上,而是发生在节理垂直方向。水平层状或倾角较小时,顶部和仰拱节理之间产生离层区,易引起岩层弯折破坏;随着倾角增大,顺弱势节理面滑动趋势增大,破坏主要取决于节理面强度和层状节理之间滑移;当倾角为75°～90°时,破坏主要为边墙岩块弯曲压溃;竖向节理时,中间垂直土体挟持作用减弱,易剪切破坏失稳引起冒顶坍方趋势。从群锚效应来看,锚杆与滑移面夹角大于23°时,锚杆支护效果发挥较为明显的效果。     

层厚比对互层地层隧道围岩稳定性的影响探究

研究目的:互层围岩开挖易出现台阶溜垮、涌水涌砂等现象,为安全施工,本文以蒙华铁路阳城隧道第四系土砂互层地层隧道围岩为研究对象,通过室内试验、现场试验及数值模拟等方法,探究层厚比对围岩稳定性的影响规律。研究结论:(1)土砂互层地层隧道围岩,黏聚力和内摩擦角随层厚比变化趋势相反;(2)两层土砂互层地层围岩随着土层所占比例的增加,隧道拱顶沉降呈现先减小后增大的规律,两层、三层土砂互层地层围岩土砂比为1∶1或1∶1∶1均匀分布时,拱顶沉降和周边收敛最小,初期支护结构主应力差最小,围岩稳定性最好;(3)不同层厚比土砂互层地层隧道,拱脚水平位移比拱肩水平位移更大,波动范围更广,隧道施工中应尤其加强对拱脚位置处的支护;(4)本研究结果可为土砂互层地层隧道围岩稳定性的进一步研究提供参考,为互层地层隧道的设计和施工提供借鉴。     

特大跨度隧道穿越断层破碎带时的施工模拟及受力特点

结合某特大跨度隧道穿越断层破碎带的工程,建立仿真模型进行计算分析。研究了断层破碎带内台阶法施工的拱顶沉降情况,分析了断层内二次衬砌的结构受力情况,并以结构第一主应力为标准提出了断层破碎带的影响范围。分析计算得到的结论为:断层破碎带对台阶法开挖时的拱顶沉降影响极大;断层破碎带会明显延后拱顶沉降的收敛时机;断层破碎带会明显增大二次衬砌结构的侧压力,且断层处边墙存在拉应力集中现象;以二次衬砌边墙第一主应力为标准,断层影响范围约为其自身宽度的3.5倍。     

不同埋深及偏压角度条件下隧道力学特性

运用MIDAS有限元程序建立浅埋偏压隧道数值计算模型,探讨了隧道偏压角度和埋深对洞室稳定性的影响程度及衬砌结构受力变化规律。研究结果表明:随着偏压角度的增加,隧道围岩各特征点抗剪安全系数整体下降,隧道洞室的稳定性逐渐降低;随隧道拱顶埋深的增大,隧道结构内力偏压特征逐渐减弱。     

季节冻土隧道边墙开裂原因及影响因素研究

研究目的:近年来,在我国高纬度季节冻土区,围岩冻胀导致隧道衬砌开裂、春融期渗漏水等病害时有出现,严重影响隧道和列车运营安全。本文以我国西北地区某铁路线隧道为例,采用现场测试、室内试验、数值模拟等手段研究季节冻土区隧道冬季边墙纵向开裂原因及其主要影响因素。研究结论:(1)修建在强风化砂泥岩地层中的隧道,当围岩含水率为12. 3%、围岩冻结深度达60 cm时,在冬季持续负温作用下,边墙最大拉应力为2. 28 MPa,大于C30混凝土的极限抗拉强度,边墙会出现水平冻胀裂缝,若考虑衬砌承担部分围岩荷载,边墙纵向开裂程度会加剧;(2)冻胀力荷载作用下,衬砌开裂具有对称性、季节性、积累性等特点,裂缝在冬季出现,分布在边墙中间位置,气温回升后,具有收缩性;(3)季节冻土区围岩冻胀力荷载计算宜以围岩冻结圈厚度和含水率为主要指标;(4)本研究成果可供季节冻土区隧道设计、运营维护参考。     

节理倾角对层状岩体大断面隧道稳定性研究

以山西大梁山隧道工程为研究对象,研究不同节理倾角隧道围岩稳定性以及锚杆力学响应,阐明其不同于传统松散介质理论的层状岩质隧道失稳模式。主要得出如下结论:①节理面是隧道失稳破坏关键所在;②倾角较小时,拱顶容易发生弯折破坏;③锚杆串连数层层状岩体,增大层间摩阻力,增强节理剪切刚度;④宜将锚杆与节理面呈大角度打设,以便发挥"销钉"和"组合梁"效果。     

深埋黄土隧道初期支护破坏模式研究

研究目的:分析初支结构在施工过程中的破坏模式,对于研究深埋黄土隧道初支的受力机理以及优化隧道设计具有重要意义。本文以蒙华铁路阳山隧道工程为依托,通过水文地质情况、围岩压力、格栅应力等方面的分析,结合施工过程中初支结构的破坏情况,从而获得深埋黄土隧道初支结构的破坏模式。研究结论:(1)受老黄土节理发育影响,深埋隧道开挖过程中围岩容易产生较大的拱顶沉降,对初支结构造成的压力较大;(2)地表水的渗透会弱化老黄土节理面之间的强度,对围岩稳定性影响较大;(3)初支结构在拱肩部位的轴力值和弯矩值较其他位置偏大,容易发生小偏心受压的脆性破坏;(4)本研究成果可为深埋黄土隧道初支的受力机理研究和工程设计提供参考。     

倾角对土砂互层地层围岩稳定性的影响探究

研究目的:全风化红砂岩和砂质黄土互层地层在我国有较广泛的分布,其敏感脆弱的工程地质特性严重影响隧道工程建设。本文以蒙华铁路阳城隧道为依托工程进行拓展性研究,采用室内试验、数值模拟、现场监测等多种方式深入探讨岩层倾角对土砂互层地层隧道围岩稳定性的影响。研究结论:(1)随着岩层倾角增大,拱顶及左、右拱腰位移呈现互异的变化规律,且具有不同的变形机理;对于拱顶而言,45°为破坏模式转换临界,位移取得最小值43. 7 mm;根据左、右拱腰变形差异性,分为非对称变形缓慢发展区、非对称变形快速发展区、非对称变形稳定区、非对称变形弱化区和非对称变形二次发展区五个阶段;(2)拱顶及左、右拱肩处支护结构在不同地层倾角下均有较大主应力,且波动幅度较大,左、右拱肩处应力差值的变化对隧道结构会产生不同程度的影响,当倾角为60°时,两处主应力差值取得最大值1. 01 MPa;(3)随着岩层倾角变化,张拉塑性区和剪切塑性区存在不同的分布规律,实际工程中应做好相应抑变措施;(4)本研究结论可为不同岩层倾角产状下的土砂互层地区的隧道设计和施工提供借鉴。     

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。     

不同工况下横通道开挖对隧道结构影响分析

基于FLAC 3D软件建立摩擦土层及黏性土层等多种工况下的三维数值模型。从主线隧道中心线上方土体位移、地表沉降及主线隧道衬砌内力等方面,研究分析了横通道开挖对隧道结构的影响作用。主要研究结论为:(1)在不同的隧道间距、隧道埋深及地质条件下,横通道开挖对主线隧道上方位移、地表沉降及隧道衬砌受力分布的影响也不尽相同;(2)随着横通道向前掘进,横通道中心线上方垂向位移及地表沉降呈现逐步增加趋势,对横通道中心线上方的影响更为显著;(3)随着横通道的开挖,先行隧道拱顶处的衬砌弯矩、边墙处的衬砌轴力呈增加趋势,后行隧道拱顶、边墙处的衬砌弯矩以及边墙处的衬砌轴力在横通道开挖结束的几个计算步时均呈增加趋势。     

爆破施工隧道围岩稳定性研究

结合贵广铁路棋盘山隧道施工现场测试,研究隧道爆破近区围岩振动规律以及稳定性。对棋盘山隧道掌子面后方拱顶5 m范围内围岩的爆破振动速度进行测试和分析,结果表明:隧道爆破近区围岩的振动传播速度随爆破的比例距离呈幂指数衰减,棋盘山隧道Ⅲ级围岩的幂指数为-0.62。对爆破施工隧道的稳定性研究表明:隧道塌方主要是岩块沿着节理面滑动造成的,与节理面的抗剪强度和岩块的大小及形状相关。最不稳定拱顶位置关键块掉落的临界爆破振动速度,随关键块高度的增大而增大,而随关键块长度和宽度的增大而减小。因此,可根据隧道围岩关键块的形状和位置,计算关键块的临界爆破振动速度,进而得到保证关键块不掉落的炸药量,以控制围岩稳定,确保隧道施工安全。