高原地区高地应力隧道岩爆预判方法

盆因拉隧道是新建拉萨至日喀则铁路的关键性控制工程,在盆因拉隧道的施工时岩爆频发。对隧道岩爆地质段的岩性进行了现场测试及室内试验,依据试验结果,分别采用岩石弹性应变指数、最大储存弹性应变指标、强度脆性系数等指标对岩爆倾向进行了预测,可对工程施工予以指导。     

川藏铁路某超深埋隧道地应力特征及岩爆分析

研究目的:超深埋折多山隧道是川藏铁路雅康段控制性工程,隧址位于我国西部新构造运动活跃的"Y"字形构造带核心区域,其地应力特征及岩爆预测对铁路选线、设计和施工具有重要意义。本文通过地应力测试数据,数值模拟来分析折多山隧道隧址区及洞身的应力分布特征,明确最大主应力的方向,并利用岩石的单轴加卸、载应力-应变曲线计算其隧道围岩的岩爆倾向指数,分析发生岩爆的岩石力学指标,结合深孔钻探成果、岩石力学试验、水文试验成果来综合分析川藏铁路折多山隧道发生岩爆的强度。研究结论:(1)川藏铁路折多山隧道最大主应力为水平应力,方向为NEE向,实测地应力最大值为17 MPa,数值模拟洞身最大值可达到48 MPa;(2)通过岩爆倾向性指数试验分析可知,围岩具备发生中等~强烈岩爆的储能和释能条件;(3)通过综合分析可知,折多山隧道易发生中等~强烈岩爆;(4)该研究结论可为隧道设计提供依据,也可为邻近区域隧道围岩稳定性判断提供借鉴。     

基于混合PSO-RBF神经网络的铁路隧道岩爆分级预测

岩爆是铁路隧道建设中主要灾害之一。为了准确预测铁路隧道岩爆烈度等级,以岩石应力系数σ_θ/σ_c、岩石脆性系数σ_c/σ_t以及弹性能量指数W_et作为岩爆烈度评价指标,提出一种基于混合粒子群优化算法优化的径向基(RBF)神经网络岩爆预测模型。首先在国内外研究成果基础上,选取80组已有岩爆实例作为模型基础数据;然后运用结合了模拟退火算法的粒子群算法(混合PSO)改进径向基神经网络,通过训练数据选取最优的权值W和基函数标准差σ,得到混合PSO-RBF神经网络岩爆烈度预测模型;最后将模型应用于实际铁路隧道工程进行验证。研究结果表明:该模型兼顾个体最优和全局最优,能够正确、有效的对铁路隧道岩爆等级做出预测,为铁路隧道岩爆预测提供了一种新方法。     

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。     

隧道岩爆预测的距离判别分析模型研究及应用

将洞室最大切向应力和岩石单轴抗压强度的比值、岩石单轴抗压强度和岩石单轴抗拉强度的比值、弹性能量指数这3项影响隧道岩爆的主要指标作为判别因子,建立隧道岩爆预测的距离判别分析模型。以国内外重大隧道工程发生岩爆的实测资料作为学习样本进行训练,建立相应判别函数对待判样本进行预测。该模型在预测判别中综合考虑了影响隧道发生岩爆的多项因素,通过判别模型的学习功能获得岩爆与其各影响因素之间的复杂关系,排除了一般准则中建立判据时人为因素的影响。实例证明该模型利用回代估计法所得到的误判率为零,并具有较强的判别能力。     

挤压性围岩隧道变形潜势的判定

研究目的:挤压性围岩隧道的工程难点主要是变形潜势的判定,以往主要利用岩石(岩体)的强度应力比来评价围岩的变形潜势,理论上概念明确,但在挤压影响严重段,围岩地应力和岩体强度很难实测,且受构造作用影响,岩体的强度时高时低、变化频繁,具有很大的不确定性,现场难以据此进行变形潜势判定。因此,有必要进一步研究变形潜势的判定方法,便于施工现场操作。研究结论:(1)勘察阶段可按岩石单轴抗压强度和最大初始地应力值之比对挤压性围岩变形潜势进行宏观预判;(2)设计阶段可按岩石(岩体)的强度应力比来评价围岩的变形潜势,划分变形等级,进行预设计;(3)施工阶段可按围岩完整程度和开挖后变形速率对变形潜势进一步进行判定;(4)变形速率可作为主要评价指标,对支护参数与围岩的适应性进行评价,动态调整支护参数;(5)本研究结论可为铁路挤压性围岩隧道的设计与施工提供思路和方法。     

IPP-PNN模型在川藏铁路深埋长大隧道岩爆预测中的应用

为了准确预测在高地应力、高地温铁路隧道中的岩爆灾害,以川藏铁路前期拉林段的重要隧道节点工程为研究背景,系统、全面地总结应力水平、埋深、温度、围岩岩性及地质构造、岩体系统刚度等影响因素对川藏铁路深埋长大隧道岩爆的孕育作用,重点分析高地应力和高地温对岩爆发生的影响相关性。构建川藏铁路深埋长大隧道岩爆预测指标体系,测试并量化岩体岩爆的倾向性指标。由于各影响因素与岩爆的非线性关系,选用能充分提取数据信息、处理多因素复杂非线性问题的改进投影寻踪(Improved Projection Pursuit,IPP)评价模型对川藏铁路拉林段典型高地应力、高地温深埋长大隧道桑珠岭隧道在施工期发生的岩爆问题做初步评价,并引入密度函数估计和贝叶斯最小风险准则,将IPP模型和概率神经网络(Probabilistic Neural Networks,PNN)模型相结合,实现对岩爆等级的聚类划分。研究结果表明：根据岩爆等级预测结果可知IPP-PNN模型预测结果相比于传统PP-PNN模型和GSA-PP模型其准确度更高,在对桑珠岭隧道11～19号隧道路段的岩爆预测中,岩爆预测等级与实测等级相符合程度由66.67%和77...     

基于应力判据法适宜性分析的隧道施工期岩爆预测研究

采用现场测试结合理论研究的方法对九岭山隧道进行岩爆预测。九岭山隧道穿越地层主要为花岗岩硬脆性岩浆岩,最大埋深约为862 m。基于应力解除法对洞壁进行二次应力测试以及点荷载试验。现场测试得出:九岭山隧道已开挖断面DK1687+240的洞壁切向应力为41. 36 MPa,岩石单轴抗压强度为106. 38 MPa,将不同判据得出的结果与实际情况进行对比,认为王元汉和王兰生的判据符合九岭山隧道的实际情况,并据此判断九岭山隧道未开挖段DK1687+260～DK1687+500为轻微岩爆区域。     

隧道混凝土裂缝声发射特性室内试验研究

隧道混凝土承受荷载大,内部发生形变和开裂损伤时会释放弹性波。因此,利用混凝土单轴拉伸试验,研究混凝土在不同轴拉荷载路径作用下的声发射特性,对隧道混凝土裂缝检测有重要意义。采用声发射（AE）仪器采集了加载过程中混凝土内部的声发射信号,在拉应力接近峰值之前,混凝土内部产生的声发射信号较少,当拉应力达到峰值后,混凝土内部声发射信号开始剧烈增多,声发射幅值较高,试件表面的微裂缝逐渐扩展为宏观裂缝。试验结果表明,声发射特性与混凝土损伤开裂特征相吻合,声发射能够对隧道混凝土内部断裂损伤进行有效探测。     

强岩爆隧道分区爆破卸压数值模拟

基于深部岩体分区破裂化理论和高围压爆破破碎机理,提出在隧道斜前方第四条或第五条破裂带分区爆破卸压的方法。建立三维精细化数值计算模型,分析爆破卸压前后围岩应力场和变形、锚杆轴力、二次衬砌结构变形和压应力变化情况。结果表明：爆破卸压后隧道轮廓面处Barton岩爆判别系数从0.50～0.90降至0.15～0.30,岩爆发生的概率及烈度降低;卸压后围岩变形增大,锚杆受力增加,地应力得到有效释放并传递给初期支护结构,降低了二次衬砌结构的受力,二次衬砌压应力降低了23.6%。爆破卸压通过有效释放应变能和转移高应力的方式达到防治岩爆的效果。     

当金山隧道区域地应力特征分析与应用

研究目的:敦格铁路当金山隧道位于兴蒙褶皱系与祁连山褶皱系之间的阿尔金断隆,隧道埋深大,地质条件复杂,高地应力是隧道施工中的主要地质问题。通过对隧道区域地应力特征分析,分析预测隧道施工中与高地应力有关的地质问题。研究结论:(1)当金山隧道区地应力高,以水平应力为主,属高地应力区;(2)根据切向应力准则判断,隧道施工中埋深较大地段较完整的云母石英片岩、花岗岩有发生轻微岩爆的可能,绿泥石英片岩发生岩爆的可能性小;(3)根据隧道区的地应力特征及岩性特征分析,断层破碎带(尤其是F5断层)岩质软弱,在施工中有发生较大变形的可能,其他地段发生变形的可能性较小;(4)本文采用的隧道地应力分析与评价方法及与高地应力有关主要地质问题的分析,对类似工程具有参考和借鉴意义。     

秦岭翠华山特长隧道高地应力问题研究

研究目的:关于深埋长大隧道高地应力问题,业界存在许多理论和判据,不同行业、不同项目采用的判据各有不同。究竟如何预判岩爆地质灾害,有效指导安全施工。通过秦岭翠华山特长隧道勘察预判和施工验证,研究隧道高地应力问题及如何预判岩爆灾害。研究结论:秦岭翠华山特长隧道最大水平主应力方向与隧洞轴线方向夹角偏大,发生岩爆是不可避免的;基于地应力参数和岩石参数计算得出洞身开挖时存在岩爆可能性的结论,具有一定的片面性;翠华山隧道施工实践证明,在众多理论和判据中,应该多采用几种判据,综合分析后评价岩爆问题,更能接近于实际。     

干湿循环作用下红页岩静态力学特性研究

为研究干湿循环作用下红页岩的静态力学特性,利用INSTRON1346伺服控制刚性试验机和PCI-2声发射仪对不同干湿循环次数下的红页岩进行单轴压缩试验。研究结果表明:干湿循环条件下红页岩试样的应力-应变曲线可分为微裂隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段以及破坏阶段4个阶段。干湿循环1次后,岩样单轴抗压强度和弹性模量显著降低,而后随着干湿循环次数的增加而逐渐趋于稳定,声发射累计能量和累计振铃计数均大幅下降,循环次数越多,声发射累计能量和累计振铃计数越小,试件破坏形式由弹脆性向弹塑性过渡。     

基于实测洞壁应力的硬岩隧道初始应力场反演分析

以九岭山隧道DK1685+645断面作为典型断面,通过应力解除法结合弹性力学理论公式推算得出该断面处洞壁切向应力为43.808 MPa,侧压力系数为0.757。控制侧压力系数不变,并以该应力作为初始应力场的基准值,采用数值模拟方法对该断面处初始应力场进行反演分析。计算得到该断面处竖向初始应力为20.500 MPa,水平初始应力为15.519 MPa。计算结果可为具有相近埋深与岩性的隧道岩爆预测提供参考。     

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。     

基于岩爆烈度预测的川藏铁路线路比选研究

拟建川藏铁路线路穿越区域地质条件复杂,隧道工程占比高、埋深大和岩体初始应力高,具备岩爆灾害发育的必要条件,岩爆地质灾害的分析预测对川藏铁路线路比选尤为重要。通过分析国内地下工程岩爆案例,再结合新建川藏铁路某段的实际情况分析岩爆影响因素,考虑指标的重要性、相关性和易获取性,选取岩石强度、地应力、地质构造和围岩级别4个指标,采用层次分析法(AHP)-专家打分法,建立隧道岩爆灾害烈度预测模型。通过对拟建川藏铁路某段的K、A和C三个比选方案的隧道岩爆灾害烈度进行预测,并通过统计分析获得C方案的岩爆灾害影响最小,为推荐选线方案。在新建川藏铁路某段的岩爆烈度预测实际应用表明,该模型能较为快速地进行岩爆烈度预测,在铁路前期选线阶段具有较好的适应性。     

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。     

施工方法对黄土隧道围岩结构相互作用的影响

研究目的:因黄土自身特性,以致于黄土隧道施工时往往会出现围岩变形较大且支护结构受力情况复杂的现象,因而黄土隧道施工时一般采用分部开挖法。为了探明不同的分部开挖法对黄土隧道围岩结构相互作用的影响,现以某富水黄土隧道为工程背景,采用有限元软件Midas GTS分别对CRD法、CD法及三台阶七步开挖法进行数值模拟,分析比较三种施工方法下的围岩位移、应力及弹性反力系数k,并通过实测数据与既有理论对数值计算结果进行检验。研究结论:(1)不同的施工方法对富水黄土隧道的围岩位移、应力以及弹性反力系数k值大小确有一定的影响;(2)通过实测数据与既有理论的检验,证明了数值模拟计算结果的合理性,因此,表2中的围岩弹性反力系数k的取值,可为今后类似工程设计、施工等提供参考;(3)本研究成果有助于理解富水黄土隧道围岩结构相互作用的特点,并可应用于富水黄土隧道计算分析相关领域。     

增量加卸荷作用下砂岩破坏与声发射特征研究

在公路隧道的施工和运营阶段,岩体经常会受到反复加卸荷的作用。为探究反复加卸荷作用下软岩的强度劣化趋势及声发射特征规律,通过室内单轴反复加卸荷试验配合声发射监测,研究砂岩在不同反复加卸荷条件下的变形、破坏和声发射特征。结果表明：增量反复加卸荷作用下砂岩的破坏形式与其常规单轴的破坏形式具有关联性,主要以剪切破坏形式为主,破碎程度有所提高。在增加保载作用之后,砂岩破裂面变得圆润光滑;反复加卸荷作用下砂岩强度较单轴抗压强度提高了6.8%,增加保载作用后提高了9%;砂岩在反复加卸荷作用下,其扩容应力无明显变化且仍表现出弹塑型破坏特征。在增加保载作用之后,砂岩的滞后变形特征明显;砂岩在峰值应力水平46%～62%之间Kaiser效应明显,在70%以后Felicity效应明显,且FR能较好地量化岩石损伤演化的过程。在增量反复加卸荷过程中,随着加载次数的增加,FR呈现出先增大后减小的规律。根据FR突然降低时的加载应力,可以判断岩石的裂缝损伤应力所处的范围,可为预警岩石破坏提供应用。研究结果可为实际岩石工程中岩体在受到循环反复加卸荷作用下的长期稳定性的评价提供试验参考和理论依据。     

隧道结构抗震设计修正的地震系数法及其应用

通过地震系数法、塌落拱理论以及动力时程分析法计算地震荷载对隧道产生的内力,并分析了围岩应力应变的变化规律.将隧道衬砌在不同计算方法下的内力值进行比较分析,提出了对常规地震系数法的修正,并在特定工况下采用修正的地震系数法进行隧道抗震设计.