板岩隧道顺层塌方分析及预防失稳措施研究

为避免板岩隧道围岩楔形体掉块和顺层塌方的发生,针对板岩的力学性质和变形特性,从隧道施工方面对板岩隧道围岩的工程特性和易形成塌方的地质构造类型进行总结,并以半山隧道初期支护长段落顺层塌方为例进行深入的分析和研究。结果认为:当顺层构造岩层和节理产状与隧道走向夹角较小、多组节理相互切割与岩层面形成不利结构面组合长段落斜穿隧道时,受施工开挖爆破震动、地下水浸润、重力作用以及大断面开挖形成临空面的影响,围岩及支护结构局部薄弱处出现失稳破坏,由于牵引作用不断扩大并持续发展造成较长段落的坍塌。最后,提出了顺层构造、节理密集带和隧道开挖后不利结构面组合对围岩稳定性的影响分析方法,针对板岩地质隧道施工提出了预防围岩失稳的措施和支护结构的优化措施。     

公路隧道塌方的预防与处治

0引言 在公路隧道施工过程中,掌子面的掘进会破坏岩体的平衡体系。在围岩自稳和支护能力不足时,会发生掌子面失稳、拱顶围岩塌落、隧道侧壁滑动变形,甚至冒顶等工程事故,这些不良事故称为隧道塌方。塌方是隧道施工中较为常见的典型事故,具有成因复杂、危害巨大、不易处治等特点。     

隧道“关门”塌方原因的力学分析及预防对策

为向施工技术管理人员解释隧道初期支护随施工的应力变化规律,进而找出发生“关门”塌方的原因,首先说明“关门”塌方发生时的施工状况,一般采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护结构,塌方时松散荷载已形成; 然后按荷载-结构模型,在初期支护承担全部设计荷载的条件下,通过施工三台阶法对上、中、下3个断面采取结构力学力法分别进行内力计算及承载能力分析。结果表明: 在围岩完全松散的极限情况下,上台阶绝对安全,中台阶基本安全,下台阶开挖尤其是仰拱开挖时塌方的风险极高。针对上述问题提出预防“关门”塌方的相应对策。结论认为采取钢架+锁脚锚杆+喷射混凝土的支护形式,支护结构处于极限应力平衡状态,很容易破坏而造成隧道坍塌。     

风化花岗岩地层隧道塌方预防措施研究

针对某项目隧道在风化花岗岩地层施工过程中遇到的掌子面频繁塌方的问题,在采取补充勘探、现场调研及事故数据统计分析等工作的基础上,对塌方频发的内在原因进行深入分析,通过现场实践总结出相对全面的塌方事故预防措施,主要结论如下：差异风化的花岗岩致使隧道围岩具有强突变性,加之不均匀分布的地下水对围岩稳定性的不利作用,是导致塌方事故频发的根本原因;现场超前支护施工效果欠佳是诱发隧道塌方的直接原因;通过加强超前地质预报、超前排水作业可显著减小隧道施工的风险及难度;根据围岩情况适当加强超前支护及衬砌支护参数,并加强开挖工法的过渡管控,是预防塌方事故的有效的措施。     

某公路隧道塌方原因分析及处治方案研究

以某高速公路隧道塌方案例为依托,对该隧道塌方原因进行分析,并通过数值模拟手段分析软弱围岩隧道台阶法施工中台阶长度及下台阶开挖支护时机对隧道围岩稳定性的影响,分析结果表明:软弱围岩隧道台阶法施工中应采用短台阶法施工,下台阶开挖时应立即施作支护,以抑制洞周围岩变形及塑性区的发展,避免围岩失稳、崩塌。并结合工程情况,提出采用多循环管棚注浆方案通过塌方段,为类似工程提供参考。     

基于尖点突变理论的围岩稳定性分析

针对围岩失稳阈值的不确定性,通过有限元软件模拟隧道开挖过程,基于突变理论研究不同开挖步对应掌子面的变形规律,结合二分法使用曲线拟合法分析围岩失稳阈值,预判围岩失稳时机。结果表明:Ⅳ类围岩隧道宜采用台阶法边开挖边支护施工,拱顶沉降为隧道开挖主要风险控制点;突变理论能够动态把握围岩变形,模拟工况台阶法有支护、无支护、全断面法施工围岩变形突变分别发生在开挖70、56、60m位置。     

塌方段原位扩建四车道公路隧道“回填-台阶法”施工力学及安全分析

为了深入探究塌方段原位扩建四车道公路隧道施工力学及安全性的问题,以福州市马尾隧道原位扩建工程为背景,在准确确定塌方体空间范围及工程特性的基础上,针对性提出“回填-台阶法”施工技术,并对塌方段原位扩建四车道公路隧道“回填-台阶法”动态施工力学及安全性进行分析。研究结果表明：①运用理论分析、数值计算、多道瞬态瑞雷面波探测技术相结合的方法可准确地获得既有隧道塌方体的空间范围和尺度;②兼顾施工技术与工期双重目标,提出了塌方段原位扩建四车道公路隧道施工方案,即塌方冒顶区通过地表注浆与洞内中空玻璃纤维锚杆进行加固,扩建开挖采用“回填-台阶法”,实现快速施工;③“回填-台阶法”施工时,隧道上半断面（1^#部）的开挖是整个施工过程的关键,结构内力增长迅速;受隧道上方塌方体和既有隧道影响,最大正弯矩出现在左拱肩处;地表最大沉降量出现在隧道中线右侧3 m处,主要由上台阶开挖引起;围岩变形主要发生在3^#开挖前,4^#开挖时围岩变形基本收敛。马尾隧道施工过程中,地表沉降、围岩及支护体系变形、支护结构受力等监测结果均满足施工安全要求,验证了施工方案的可靠性和安全性,该研究成果可进一步丰富超大扁平断面隧道的修建技术,并为今后类似的工程提供一定的借鉴。     

隧道塌方发生机理的研究

文章结合马垭口隧道隧段YK34+645.5～+670.5在施工中发生了塌方事故。通过分析现场监控量测数据,分析塌方形成过程中围岩的变形特征及初期支护的受力情况,采用FLAC软件对典型断面进行数值模拟计算,通过对数值模拟的结果进行了综合分析,探讨出导致此次塌方事故的关键原因。最终得出此类地质条件下影响隧道结构安全性的关键因素,为今后类似工程提拱参考。     

基于数值模拟隧道仰拱开挖对初期支护的影响分析

在山岭隧道施工过程中,施作仰拱虽能很好地控制洞室位移,抑制底鼓现象发生,但隧道仰拱的开挖一般都在初期支护基本稳定之后,其开挖会使上部支护结构底角短暂悬空,底角应力释放,从而引起开挖段洞周位移的急剧增加。通过对阎家庄隧道开挖过程的实时监测,分析仰拱开挖前后拱顶下沉和净空收敛的变形量和变形速度,结合ANSYS有限元软件,分析隧道开挖前后初期支护内力的变化。仰拱的施作能使围岩内力分布更加均匀,避免应力集中,但隧道仰拱开挖引起的洞室围岩的变形约占总变形量的25%,需引起施工注意。     

层状软岩隧道塌方原因分析及对策

以某高速公路桃树垭隧道工程为例,针对桃树垭隧道YK38+398~YK38+460初期支护变形和ZK38+245特大塌方事故,分析了层状软岩隧道初期支护变形和塌方发生的原因及应急处理措施,并确定了初期支护变形和塌方的综合处治方案。同时,对初期支护变形和塌方的应急处理措施进行了对比分析,然后通过工程实践证明综合处治方法是安全的。     

深埋高地应力水工隧洞地应力特征及岩爆脆性破坏深度预测研究

为解决高地应力情况下水工隧洞开挖时产生的岩爆问题,以新疆某高埋深水工隧洞为依托,并结合现场水压致裂法和钻孔套芯解除法测试获得的地应力数据。研究深埋引水隧洞区域地应力场分布规律,通过强度理论判断岩爆发生的可能性;在考虑高地应力与围岩开挖二次应力状态作用前提下,通过岩爆破坏区深度理论公式,结合现场数据计算出岩爆破坏深度。结果表明： 1）隧洞处平均初始地应力应力基本在23 MPa左右,最大水平主应力为28.6 MPa,属于高地应力隧洞; 2）三向主应力间的总体关系为σH（最大水平应力）>σZ（自重应力）>σh（最小水平应力）,属于σHZ（走滑型）初始地应力场,以水平构造应力为主导; 3）隧洞最大主应力与最小主应力之间差值较大,依据摩尔-库仑准则,表明该隧洞开挖的临空面会存在较大的剪应力,易引起隧洞发生岩爆; 4）在隧洞开挖过程中,隧洞将会发生中—强等级的岩爆,发生岩爆脆性破坏最大深度为0.68 m。     

隧道施工通风系统中竖井风量及影响因素分析

解决特长或单斜井多作业面隧道的施工通风问题常常需要增设通风竖井。为深入分析影响竖井通风的因素，以竖直圆管代替竖井，假设其内壁温度沿井壁线性变化，首先，推导出含内热源的竖井截面内稳态气流的平均风速表达式；然后，采用泰勒级数法得到竖井通风量的表达式。研究结果表明： 1）在隧道入口处大气压Pa5与进风竖井井口大气压Pa1的变化保持一致的情况下，两者差值不会对隧道施工通风产生影响。2）当Pa5与Pa1变化不同步时，两者差值（Pa5-Pa1）增大使得竖井进风量减小。3）位于进风竖井井底的风机所需风压随井口大气温度的升高而减小，随地层温度升高而增大。4）在环境参数与工作条件确定的情况下，可应用竖井风量表达式实现需风量定量分析。     

浅覆土矩形顶管施工对邻近基桩的影响规律研究

为研究因顶管施工的挤土效应对邻近高架桥基桩水平变形的影响，以无锡地铁青石路段1号地铁出入口为例，采用MIDAS GTS软件模拟浅覆土条件下矩形顶管顶进施工，计算在不同的顶管顶进距离、基桩与隧道间净距，以及不同的顶管开挖面顶进压力、管节与土体间摩阻力条件下的基桩水平变形。结果表明： 1）矩形顶管顶进施工时会造成邻近基桩发生沿顶进方向和垂直顶进方向的水平变形，且以沿顶进方向的水平变形为主； 2）不同于其他矩形顶管工程，浅覆土条件下基桩受顶管施工的影响范围约为隧道外4D（D为矩形顶管长边尺寸），基桩的水平变形随着净距的减小而增大，且当净距小于2D时，其水平变形呈非线性快速增加； 3）相对于开挖面顶进压力，管节与土体之间的摩阻力对基桩的影响更大，其水平位移变化可分为线性增长和非线性增长2个阶段。     

盾构法隧道穿越活动断裂带方案探讨

为研究隧道穿越活动断裂带的合理抗错设计措施,结合胶州湾第二海底隧道采用案例调研、数值模拟等手段分析了3种不同抗错方案下隧道结构变形、接缝张开、错台形态以及钢筋应力、螺栓轴力等关键控制指标,探讨不同措施的抗错效果。研究表明： 1）3种不同抗错措施在断层错动作用下管片结构沿纵向受力变形规律相同,断层错动对隧道结构影响主要集中在破碎带上盘边界外30 m到下盘边界外30 m的范围; 2）断层错动作用下钢筋受力整体表现为“顶底部钢筋受压、两腰部钢筋受拉”状态,环宽1.5 m钢筋拉应力最大为436 MPa,3种工况下钢筋均未发生屈服; 3）环宽1.5 m管片环缝张开量为3.8 cm,比其他2种工况减小60%~70%; 4）提出了管片环宽1.5 m以及抗震设防区域为上盘左边界2D至下盘右边界2D（D为15.0 m）范围的抗错设计方案。研究成果对盾构法穿越大错动量断层带的抗错方案研究具有一定的参考作用。     

基于透明土的盾构隧道突水涌砂灾变发展试验研究

针对饱和砂土地层盾构隧道施工中的突水涌砂灾害问题，以上海市轨道交通某盾构区间为研究背景，将自主研制的灾变可视化试验模型与透明土技术相结合，对砂土地层隧道顶部结构破损灾变过程的土体流动形态、土颗粒位移速度场进行试验研究。结果表明： 1)盾构隧道突水涌砂灾害发生后，隧道裂隙孔口上方部分区域的土颗粒密实度减小，砂土发生剪切破坏。2)在灾变前期，土颗粒竖向位移场呈椭圆状等值线分布，颗粒位移速度随与隧道中心水平距离的增加而非线性地衰减，当隧道埋深为2D（D为隧道直径）时，水平向影响范围为3D。3)随着灾变的发展，土颗粒位移速度先增大后减小，涌入隧道内的砂水混合物中土颗粒的体积分数占比持续减少，最大程度地还原了隧道突水涌砂后期的灾变现象。     

基于现场试验的超大双曲面穹顶洞库支护体系研究

为解决硬岩中超大型地下工程复合式衬砌二次衬砌模筑混凝土施工困难、模板工程复杂、混凝土圬工量大等问题，以某地下储油库为依托，应用有限差分计算软件与现场原位试验的方法，对大型地下工程进行力学机制研究及支护体系优化。研究结果表明： 1）在围岩条件较好的岩体中开挖大型地下洞室，在支护参数选择合理、施工质量得以保证的前提下，使用单层喷射混凝土衬砌可提高施工效率，减少混凝土用量； 2）采用聚丙烯纤维喷射混凝土支护+低预应力锚杆的优化支护体系相较于Q系统岩石支护表所得的支护参数可更好地控制围岩变形，减少支护结构与围岩的拉应力区，达到与复合式衬砌接近的支护效果； 3）现场试验后发现优化后的支护体系在变形与应力方面可达到预期效果，穹顶最大变形约8 mm，支护结构安全可靠。     

场地类别对装配式地铁车站结构地震响应的影响

为研究装配式地铁车站结构在不同场地条件下的地震响应,基于有限元软件,建立地层-装配式地铁车站结构三维静动力耦合非线性有限元分析模型,分析不同场地类别、不同地震动峰值加速度以及竖向地震动条件下装配式地铁车站结构的地震响应,并给出装配式地铁车站的加速度、变形、应力及塑性损伤的变化规律。分析表明： 1）场地类别由Ⅱ类变为Ⅲ类时,车站结构顶底间最大相对水平位移与接头张开角逐渐增大,且增长幅度变大,但接头张开角仍较小(<0.10°),验证了接头的稳定性和安全性; 2）在Ⅲ类场地条件下,拱腰、拱肩以及侧墙上下端附近的围护结构等位置易出现塑性损伤; 3）相比单向水平地震动,增加竖向地震动会显著增大装配式地铁车站结构的变形、应力、接头张开角及塑性损伤。总体来看,在Ⅱ类场地条件下,输入地震动峰值加速度分别为0.1g和0.2g时,结构基本处于弹性工作状态; 在Ⅲ类场地条件下,输入地震动峰值加速度为0.4g时,结构处于弹塑性工作状态且塑性区体积较大。     

铁路隧道穿越瓦斯煤系地层的旋喷围桩防突工法探析

为确保铁路隧道能够快速安全地穿越瓦斯突出煤系地层，依据《铁路瓦斯隧道技术规范》的防突规定及旋喷桩工艺特点，从“堵”“排”结合的角度，提出一种旋喷围桩快速防突的新型施工方法。首先，依据防突原理，针对超前综合防突和工作面综合防突，开展了“堵”“排”结合的旋喷围桩防突工艺研究； 然后，以叙毕铁路欧家湾高瓦斯隧道防突为例，进行了旋喷围桩防突工法中关于围桩桩径与瓦斯释放孔数量的多方案设计；最后，依据施工定额，结合工程量统计数据，从施工成本和施工时间方面将旋喷围桩防突工法与传统抽排防突措施进行比较。研究结果表明： 1)封闭的高强度旋喷桩加固了防突区域轮廓周线上煤层的地质结构，隔离了围桩内外的煤体，截断了煤与瓦斯突出向围桩外扩展的途径； 2)仅对围桩内突出煤层实施地质钻钻孔和瓦斯排放，使消突范围大大减小； 3)与传统抽排消突方案相比，旋喷围桩防突工法桩内释放孔数量减少为原设计的1/5～1/3时，地质钻钻孔总工程量可减少13%～22%，施工成本按基价计仅增加1.7%～10.5%，既安全高效，又简单易行。