穿越破碎带隧道掌子面力学模型及最小安全厚度研究

隧道穿越断层破碎带的稳定性及安全防护问题是目前隧道建设的难点。针对隧道掌子面前方存在破碎带松散岩土体的典型工况,基于隧道围岩以及掌子面的力学特性,采用理论计算、数值模拟、工程实践相结合的手段,提出了掌子面稳定岩体的最小安全厚度计算方法,并对隧道掌子面前方破碎带的预加固及处治方案进行了探讨。首先,建立了破碎带-岩板力学模型,将掌子面的岩体等效为受荷载作用的岩板,对受破碎带压力的岩板最小安全厚度展开计算分析,得到了岩板厚度与岩层倾角、破碎带有效高度的关系表达式,并对帷幕注浆处理参数进行了优化;随后基于理论计算结果,与某隧道穿越破碎带施工中因未控制掌子面岩体厚度而导致隧道失稳的典型案例展开对比分析;最后结合Comsol Multiphysics软件开展数值仿真模拟,分析了不同岩层倾角、隧道埋深、注浆预处理参数等因素对掌子面岩板最小安全厚度的影响。结果表明：理论计算、工程实际与数值模拟结果具有较好的一致性;正常施工时掌子面最小安全岩板厚度随破碎带有效高度的增大而增大,随岩层倾角增大而减小,故应在达到安全厚度之前对破碎带进行预支护;在选用帷幕注浆方法对破碎带进行预处理时,最小安全岩板厚度随着岩层倾角的增大而减小,此时在注浆过程中需要保留较大的安全厚度,同时控制注浆压力。     

镶齿滚刀破岩机理及效率的旋转破岩试验

随着隧道工程建设的不断增多,镶齿滚刀已被广泛应用于多种开挖机械,如隧道掘进机、反井钻机、采掘机等,不同破岩参数下镶齿滚刀的破岩机理及破岩效率研究,对提高机械掘进效率、降低施工成本有重要意义。应用北京工业大学自主研制的多功能机械破岩试验平台,选用直径304.8 mm（12英寸）的镶齿滚刀对尺寸为1 000 mm×1 000 mm×600 mm的北山花岗岩进行旋转切割破岩试验研究。通过对排齿及整刀进行不同贯入度的旋转切割试验,并应用荧光裂纹检测法对侵入坑下方裂纹进行检测,研究镶齿滚刀的破岩规律。结果表明：①镶齿滚刀为"递进式"破岩,破岩开始于相邻小齿间距的球齿之间,而后发展到相邻的大排间距的球齿之间;②第3排球齿破岩效率最高,且整刀在贯入度为1.5 mm时破岩效率最高;③应用荧光裂纹检测法分析滚刀下方岩体裂纹分布特征,发现每排球齿下的裂纹扩展方向及范围存在较大差异。裂纹分布特征分析结果与通过滚刀力、岩片分析得出的镶齿滚刀破岩效率的结论相一致。该研究可为机械开挖设备滚刀布置、刀型优化及施工运行参数优化提供试验参考和理论依据。     

考虑层间黏聚力的水平层状围岩隧道顶板力学模型计算

水平层状岩体力学性质不仅受岩层组合和结构面控制,而且与层间黏聚力密切相关。水平层状围岩隧道在施工过程中对层间黏聚力考虑不当时,极易造成设计支护参数不合理,导致拱部掉块落石、离层、弯折,甚至局部坍塌、超欠挖等工程问题,严重影响工程安全、施工质量和建设进度。目前水平层状围岩隧道顶板一般简化为锚固梁和简支梁模型,但未考虑层间黏聚力。根据水平层状围岩隧道开挖的不同阶段,将隧道顶板分别简化为开挖初始阶段的锚固梁模型和施工扰动后的简支梁模型,并利用顶板梁体模型的协调变形条件,得出梁模型的层间黏聚力计算公式。以大梁峁隧道为工程依托,分别应用考虑层间黏聚力和不考虑层间黏聚力的梁模型进行隧道临界开挖跨度计算。结果表明：考虑层间黏聚力和不考虑层间黏聚力对水平层状围岩隧道临界开挖跨度影响较大。考虑层间黏聚力时,锚固梁模型临界开挖跨度为3.36~4.75 m,简支梁模型临界开挖跨度为2.74~3.88 m;不考虑层间黏聚力时,锚固梁模型临界开挖跨度为0.14~0.30 m,简支梁模型临界开挖跨度为0.12~0.24 m。结合大梁峁隧道工程现场,隧道开挖跨度3~6 m时,拱顶会出现平顶现象,产生离层和掉块,因此考虑层间黏聚力的水平层状围岩隧道顶板力学模型更符合工程实际情况。     

考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形解析解

为了得到考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形解析解,基于复变函数理论引入一种新的考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形的求解方法。首先,为克服非圆形隧道断面、注浆圈几何形状和考虑衬砌支护造成的计算困难问题,引入了保角变换及复变函数幂级数解法。通过采用最优化解法确定保角变换中各项系数,得到计算模型映射函数。其次,通过幂级数复变函数法和弹性力学连续性条件克服隧道衬砌以及围岩注浆圈带来的多连通域问题,确定应力函数各项系数。随后,将得到的应力函数代入应力、位移方程求解考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形值。最后,将新方法所得结果分别与未考虑注浆作用的非圆形隧道应力及位移解和数值模拟计算结果进行对比分析。研究结果表明：注浆后注浆圈环刚度增大,整体性提升;衬砌变形减小,衬砌受到的围岩压力减小;围岩注浆有效改善了衬砌受力状态,使衬砌拱顶下沉减小约21.8%,拱底隆起减小约18.1%,拱脚附近法向应力减小约19.9%,环向应力减小约8.9%;围岩注浆可以有效加固岩体,封闭隧道周边岩体裂隙,改善衬砌受力状态,提高隧道抵抗变形和破坏的能力;解析解与数值解吻合较好,所得规律符合工程实际规律。研究结果可为考虑注浆加固作用下的非圆形隧道开挖问题提供一种新的快速、准确的计算方法,并为考虑注浆加固作用的非圆形隧道数值计算和安全运行提供参考依据。     

破碎岩体注浆加固后的力学特性研究（双语出版）

基于理论分析建立破碎岩体注浆加固体力学模型,通过室内试验制作加固体试样并开展单轴抗压试验,分析破碎岩体含量、破碎程度、界面粗糙程度以及注浆材料黏结性能等因素对加固体强度的影响。试验表明：注浆加固体试样在单轴压缩破坏过程中,其内部石块基本保持完整性,破坏主要产生在交界面以及注浆材料内部;当V_BP较大时,在碎石体的阻隔作用下,破裂面无法一次性产生,且多为剪切型破坏;当V_BP较小时,压缩破坏过程中直接形成了上下贯通的破裂面,且多为拉断型破坏;对于未加固的破碎岩体,其强度随V_BP增加而减小,且强度离散程度较大;加固后其强度随V_BP的增大而增大,整体强度大幅提高,同时呈现出明显的线性相关性;加固体强度随碎石数量的增加而减小,二者的线性相关性不显著;加固体强度随着注浆材料黏结强度的增加而增加,随交界面体密度的增加而减小;交界面体密度与黏结强度相互影响,总体强度是二者耦合作用的结果。基于加固体力学模型以及单轴抗压试验数据提出了加固体强度计算公式,该公式考虑了破碎岩体含量、破碎程度、界面粗糙程度以及注浆材料黏结性能等因素对加固体强度的影响。通过与实际试验数据比较,证明了该公式可以较好地对破碎岩体加固强度进行预测。     

隧道成型控制爆破技术及围岩损伤范围研究

为解决因初期支护格栅拱架限制周边眼钻凿精度而引起的隧道周边超欠挖问题,以青岛地铁1号线瓦屋庄站至贵州路站区间工程为例,介绍“长、短眼”控制爆破技术,提出“长、短眼”布置方案,并采用质点峰值振动法和激光隧道断面检测仪分别对“长、短眼”爆破技术产生的围岩损伤范围和隧道超欠挖量进行分析和监测。结果表明： 1）采用“长、短眼”控制爆破技术,Ⅳ级围岩段隧道周边超欠挖控制在150 mm以内,且理论计算每米进尺回填混凝土节省成本7 182元,可提高工程经济效益; 2）长短眼爆破产生的损伤范围为0.29~0.33 m,隧道拱顶沉降、净空收敛量均控制在10 mm以内,施工效果好。     

岩爆隧道柔性支护快速施工技术

为探究适合硬岩隧道岩爆段的快速施工技术,通过对硬岩隧道整体自稳性及岩爆特点的分析,提出以柔性支护为基础、以岩爆预测、松动圈测试和柔性网试验为保证措施的一种快速施工技术。依托米仓山隧道岩爆段的施工,利用陶振宇判据和Turchaninov判据对不同埋深下岩爆强度进行预测,合理划分米仓山隧道岩爆强度区段,并结合松动圈测试、柔性网试验,对锚杆和钢丝绳网的参数进行研究与验证。实践表明： 1)采用陶振宇判据和Turchaninov判据可以较准确地进行岩爆预测及强度区域划分; 2)利用松动圈测试结果能大致判断隧道开挖后围岩破裂区域的深度; 3)相比传统支护技术,采用喷射混凝土+涨壳式预应力锚杆+柔性防护网的快速支护技术,每循环施工可节省用时约4 h,整个岩爆区段施工速度可提高30%~40%。     

软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差,易发生大的变形、钢架扭曲等现象。为降低安全风险,依托郑万高铁高家坪隧道进口机械化全断面爆破施工,对支护体系下的围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力、锚杆轴力、围岩内部位移、掌子面挤出变形等进行系统试验研究。试验结果表明： 围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力受岩性条件、施工扰动等因素影响显著,随时间推移均呈现“急剧增大、缓慢增大、波动变化、稳定收敛”的变化规律; 通过锚杆轴力峰值位置可以初步判定围岩塑性区范围约为距洞壁3.0 m。基于现场试验监测,通过数值模拟分析了初期支护结构压应力、轴力和弯矩的分布情况,与现场量测数据相符,较好地反映了初期支护受力特征。本次试验的相关方法、手段和结论对隧道机械化大断面施工软弱围岩变形与支护体系受力研究具有借鉴作用,同时也为建立科学合理的支护结构体系提供了参考。     

郑万高铁隧道大型机械化配套全断面法施工围岩-支护结构相互作用力学特性研究

为研究郑万高铁大型机械化配套全断面法施工围岩-支护结构相互作用力学特性,依托郑万高铁隧道现场实测数据,确定台阶法和大型机械化配套全断面法2种工法施工的围岩压力分布特征,并采用数值模拟的方法建立围岩-支护结构有限元模型,分析2种工法对围岩压力和结构内力的影响规律。研究结果表明： 1)台阶法多次施工扰动易导致支护结构和围岩之间产生空隙而发生脱空,大型机械化配套全断面法施工对围岩扰动次数少,初期支护快速封闭成环,可保证初期支护及围岩之间良好的密贴性; 2)在软弱围岩中,采用大型机械化配套全断面法施工比台阶法更有利于改善结构受力,减缓结构内部偏心受压的程度,能有效发挥拱形隧道结构承载力; 3)大型机械化配套全断面法在软弱围岩快速施工、控制支护结构变形、保证支护结构受力安全等方面具有综合优势。     

古夫隧道软弱围岩普通型机械化配套试验性施工技术

为提高隧道软弱围岩施工安全性和加快施工进度,依托古夫隧道出口段工程,首先通过超前地质预报、监控量测、应力应变测试等判断围岩及掌子面稳定性; 然后通过超前支护、低预应力涨壳式锚杆加固围岩,提高围岩自稳能力; 最后采用普通型机械化配套大断面法施工,对围岩的拱顶沉降、周边收敛、应力应变等进行监测,通过数据分析结果指导现场施工。研究结果表明： 1)隧道软弱围岩普通型机械化配套试验性施工技术可以有效地加快施工进度,保证施工安全; 2)信息化管理可以通过数据分析结果指导现场施工,大大提升隧道施工的管理水平。