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。     

岩石掘进机关键技术展望

经过5个阶段的发展,TBM在我国的应用正在不断推广,应用前景十分光明,挑战也十分严峻。简要总结我国TBM研究与应用的5个发展阶段和应用前景,分析TBM施工面临的6大挑战： 地质多样化带来更多的地质风险; 应用领域亟待拓展; 设备技术发展赶不上施工需求的变化; 施工进度不均衡; 施工环境越来越严苛; 存在不合理的施工合同。从TBM设计制造及施工应用的9个方面提出展望： 核心部件国产化; 提升各种地质条件下的破岩能力; 提高出渣能力及可靠性; 提升初期支护及超前加固性能; 研发异形断面TBM; 圆形断面TBM开挖隧道的空间合理利用; 大力推动TBM周转使用和再制造TBM应用; 研究极端恶劣地质条件下TBM施工技术; 促进国产配套施工设备研发应用。只有不断深入研究TBM设备与施工的关键技术及前沿技术,有效解决设备设计制造和施工过程中遇到的难题,才能不断提升我国TBM设备与施工技术水平,避免陷入关键技术受制于人的窘境,促进我国TBM事业持续健康发展。     

蒙华铁路阳城隧道土砂分界地层分界面位置对围岩稳定性影响探究

为了解决隧道穿越土砂分界地层的围岩稳定性问题,以蒙华铁路阳城隧道为研究对象,采用现场试验、室内试验及数值试验等研究方法对土砂分界地层围岩稳定性进行探究,重点探讨地层种类及其厚度变化对围岩变形、塑性区扩展及支护结构受力的影响。结果表明： 1）相对单一地层,土砂分界地层会影响洞周应力分布,分界面处围岩容易先出现塑性区,且土砂分界地层围岩变形性质与软弱的全砂岩地层更为接近; 2）在土砂分界地层分界面处会产生较大的水平收敛,易出现拉应力; 3）土砂分界地层中,随着砂层所占比例的增大,拱顶沉降和洞周收敛不断增大,且分界面所在台阶处支护结构的应力发展会提前达到更高的峰值; 4）当分界面出现在上台阶时,围岩会产生极大的塑性变形,支护结构承受相对较大的应力,是土砂分界地层中最不利的分界情形。