深埋水平岩层隧道开挖稳定性分析及控制*

针对深埋高地应力水平岩层掌子面开挖稳定性及支护结构失效问题,以大峡谷隧道为工程背景,通过现场测试、室内试验、数值模拟等方法,探究深埋高地应力水平岩层失稳机理及控制措施。研究结果表明:坚硬岩体被节理面切割后,在高地应力作用下容易发生挤压破碎,破碎岩体遇水发生软化,导致掌子面发生大范围塌方,初支和超前支护失效;隧道开挖后岩层发生不均匀沉降,浅部岩层最先发生弯折破坏,层内块体错动滑移,继而向上方岩层发展,并伴随层间分离和层内裂隙发育,最终形成宏观破裂面;提出的台阶法、2 m开挖进尺、砼喷层、双层小导管、提高初支强度的整体优化控制措施,可有效提高现场支护效果。     

倾斜岩层大断面隧道塌方机制的数值模拟

塌方是隧道施工中出现的主要安全事故,研究隧道塌方产生的机制对于保证隧道施工安全具有重要意义。以穿越倾斜岩层段某隧道塌方事故为工程背景,基于围岩的工程力学特性,采用数值分析和现场监测方法研究隧道塌方的力学机制。结果表明:在开挖爆破振动荷载作用下,隧道断面拱部左侧节理岩层极易出现超挖,隧道左侧拱腰处的塑性区显著大于右侧,使左侧拱腰处内侧出现拉应力;左侧拱腰处围岩压力显著大于右侧,造成支护结构的受力不均,初支喷层极易开裂,随着松动区范围逐渐增大,围岩压力逐渐增大,隧道变形迅速增大,极易造成围岩失稳而导致隧道坍塌。     

软弱围岩大断面隧道掌子面锚杆加固参数研究

软弱围岩隧道的开挖施工容易造成开挖面失稳坍塌以及拱顶沉降过大等事故,须对围岩和掌子面进行加固,以保证施工安全。以宁波象山县野猪山隧道为工程背景,以新意法为理论基础,采用玻璃纤维锚杆加固隧道掌子面,通过数值分析研究了掌子面锚杆布置密度、加固长度、搭接长度等加固参数,得出掌子面玻璃纤维锚杆加固长度应大于隧道开挖直径,可提高掌子面的稳定性;对掌子面挤出变形控制较为严格的情况下,可以对全断面布置锚杆进行加固。     

细砂卵砾石互层隧道围岩-支护失稳成因和处治措施

为避免细砂卵砾石互层隧道施工中发生隧道坍塌、砂涌、冒顶等安全事故,以在建的国道317线岗托隧道为工程依托,采用三维数值模拟计算和现场测试相结合的方法进行分析,探讨了施工过程中隧道围岩-支护的失稳机理,提出了相应的处治措施,最后通过对失稳前和处治后拱顶下沉、水平收敛的测试比较验证了处治效果。结果表明,细砂卵砾石互层隧道围岩-支护失稳的原因是围岩自稳能力差,超前支护适宜性差致使互层围岩不能有效固结,砂涌造成衬砌背后空洞,致使结构承载力降低,现场采用大管棚配合水平旋喷桩进行超前支护,实施效果明显。     

软弱破碎地层盾构隧道施工开挖面力学行为分析

随着城市地下空间的急剧扩张,大直径深埋盾构隧道越来越普遍的应用到软弱破碎地层开挖施工中。目前大多数的研究方法都是针对隧道掌子面附近土体为均质土提出的。本文结合工程实例利用Flac 3D模拟不同工况条件下软弱破碎围岩隧道开挖面施工过程,研究在软硬不均地层条件下掌子面附近围岩应变随支护力变化的规律以及土体失稳的形式。发现地层土体变形规律与软土层厚度有关,软弱土层夹杂硬土层所需极限支护压力更大,在施工过程中穿越软弱土层夹杂硬土层时需要加强监控量测。     

山岭隧道关门坍塌应急救援实践

<正>2014年7月14日16时,云南省文山州富宁县境内某新建铁路重点工程一正在施工的隧道内,作业人员在掌子面附近安装支撑拱架时,隧道顶部突然发生垮塌,塌方段约20 m,造成正在作业的15名工人被封堵在约25 m已开挖完成的隧道空间内。该隧道全长1万3 625 m,已经施工完成的隧道横洞与正洞交叉点距离塌方段约1 388 m,该隧道围岩等级为Ⅴ级,安装拱架支护段     

大跨径公路交叉隧道施工安全性研究

为研究大跨径近接隧道交叉段施工安全性,基于围岩评级系统和地质探测方法,确定围岩力学参数,将量化指标参数转化为Hoek-Brown强度参数。采用FLAC3D软件计算下行隧道不同开挖方式对上行隧道的影响,并监测下行隧道围岩及上行隧道路面的变形特性。研究表明:采用围岩评级系统和地质预报相结合的方法获得的围岩地质参数,计算结果与现场实测结果吻合;通过对上行隧道公路路面沉降和下行隧道拱顶下沉、围岩压力的监测可知,采用7步开挖方法能够保证交叉隧道围岩的稳定性,监测数据均未超过支护结构的极限承载范围。     

巷道围岩再造承载层机理及数值模拟

在分析大变形巷道基本支护系统基础上,依据应力转移与强抗承载的围岩稳定思想,提出了巷道围岩再造承载层机理,建立了巷道围岩再造承载层稳定性力学模型,分析了巷道围岩再造承载层的稳定因素,最后进行了数值模拟。结果表明:巷道基本支护系统的承载能力与作用范围有限,基本支护系统作用下巷道浅部围岩呈“O”形整体收敛,弹塑性界面离层明显;而巷道两帮再造承载层与基本支护系统形成“Ω”形承载结构体,整体承载能力加强,顶板应力由底板深部转移改变为向两帮外伸移动,两帮围岩移动由巷道内收敛改变为向巷道底角外扩散,巷道围岩稳定性提高;巷道围岩再造承载层位置越高、长度越大,围岩越稳定;无支护巷道两帮垂直应力集中区明显,支护后巷道两帮垂直应力集中区得到弱化,浅部围岩形成“Ω”承载拱形体,两帮与顶板位移变化量较小,底鼓量为无支护巷道的84.65%,应进一步做好底鼓控制,围岩整体收敛变形较小,支护效果明显。     

软弱围岩节理性质对隧道塌方范围影响研究*

为探究节理岩体在节理扩展-节理破坏-岩体失稳过程中的力学特性变化及变形破坏规律，采用块体离散元软件3DEC进行数值模拟，对节理岩体中隧道开挖后围岩的应力变形状态进行研究。结果表明:法向刚度较小时，可能造成的塌方范围大，法向刚度较大时，造成的塌方范围小；节理剪切刚度对隧道塌方范围的影响较小；节理内摩擦角变化对断层塌落体及上覆未塌落体范围的影响较小。     

超小净距近接交叉隧道施工安全性研究

为保证超小净距近接交叉隧道施工安全,以盘道岭隧道交叉施工段为研究对象,提出交叉隧道施工优化支护方案。基于超前地质预报方法和围岩地质评级系统,提出交叉隧道节理岩体的地质强度指标(GSI)。采用Hoek-Brown强度准则峰后应变软化模型及数值计算方法,研究下行隧道施工过程中围岩位移场的变化特性。结果表明:数值计算得到的下行隧道拱顶变形量与现场实测结果相吻合;根据现场实测数据分析下行隧道拱顶下沉量和支护压力的相互作用关系可知,用优化支护方案能够保证交叉隧道施工的安全稳定性,数值计算能反映现场的实际情况。     

软弱围岩隧道洞口浅埋段变形特征及控制措施研究*

为解决洞口浅埋段软弱围岩隧道大变形控制难、施工风险高的问题。依托在建隧道工程，对洞口浅埋段初支变形及破坏特征进行分析，提出适合该隧道的变形控制措施。结果表明:洞口浅埋段围岩松散破碎受开挖扰动和地表水影响显著，隧道破坏形式多样，围岩纵向变形不规律，随埋深增大，局部渗水严重段存在拱腰挤出现象；开挖初期围岩变形速率高，最高达到86.8 mm/d，累计变形量大，其中上、中台阶围岩变形量占比为80%~90%，变形主要分为“加速增长—缓慢增长—再次增长—趋于稳定”4个变化阶段，再增长阶段持续时间较短，约6~10 d。根据围岩预留变形量建立各施工阶段的变形控制基准及超限应对处置措施，并提出工法优化，通过数值模拟验证该优化工法有利于支护结构及时封闭，可控制前期围岩变形，保证施工安全和进度。     

中义隧道片理化玄武岩段大变形控制技术研究*

为进一步探究高地应力隧道软岩大变形控制技术，以中义隧道主洞片理化玄武岩段为工程背景，提出大变形Ⅰ型支护、大变形Ⅱ型支护、大变形Ⅱ型支护（围岩加固）3种大变形控制方案，以现场试验段监测为辅助验证，采用数值仿真对3种控制方案的控制效果进行对比分析。结果表明:适宜的支护成环时间具有减缓大变形的作用；在衬砌各部位累计最大变形控制方面，控制方案3较其他方案衬砌最大变形最少减小20.8%，且变形时程曲线最终收敛；围岩最大日变形量控制方面，经过开挖断面的进一步优化以及边墙部位塑性区围岩自承能力的提高，控制方案3最大日变形量较其他支护方案至少减小20.8%。结果显示控制方案3能够稳定控制片理化玄武岩大变形，且效果最好，研究结果可为类似工程提供设计依据。     

软岩大断面隧道二次衬砌支护时机的选择研究

为探明软岩大断面隧道开挖后围岩的变形与支护时机的相关关系，利用监控测量数据反演分析中获得的蠕变参数，校正ABAQUS的D-P蠕变模型；在此基础上建立数值计算模型，对具有代表性的围岩进口浅埋段、出口浅埋段和洞身段进行了相关的数值分析，研究软岩大断面隧道岩体的变形规律和支护时机之间的关系；通过埋设现场监控量测点对二衬支护时机的结果进行了验证。研究结果表明:出口和进口浅埋段的V级围岩，开挖后岩体的变形速率大、时间短，选择以最终位移量的80%为最佳支护时机，二衬的最佳支护时机为隧道开挖支护后的15 d左右；洞身段IV级围岩具有变形速率小、时间长，以最终位移量的90%为最佳支护时机，洞身段二衬的最佳支护时机为隧道开挖支护后的30 d左右。现场验证表明，选择的二次衬砌支护的时机是可行的。     

硬岩竖井爆破损伤区探测及衬砌荷载*

为研究硬岩竖井受爆破开挖扰动的影响,依托米仓山公路隧道竖井工程,采用RSM-RCT（B）测试系统探测竖井爆破损伤区范围为1.1~1.4 m,并利用残余地质强度指标标定损伤区力学参数,将其纳入收敛约束法和数值分析中,以评估损伤区对竖井围岩及衬砌荷载的影响。研究结果表明,在硬岩竖井中开挖爆破是造成岩体损伤区的关键因素,地应力方向和大小对硬岩损伤区分布基本无影响。分析结果表明,爆破损伤区导致围岩变形增大,从而使得衬砌荷载增加,最大剪应力出现在损伤区与未破坏岩体之间的交界处,大小为16 MPa,同时靠近该位置的衬砌荷载也会变大,较深竖井可采用分区段支护,降低投资成本。研究结果可为硬岩竖井开挖荷载计算及设计优化提供一定参考。     

高地应力软岩隧道初期支护优化研究*

为研究边墙曲率、支护参数等因素对高地应力软岩隧道变形控制的效果,以大瑞铁路营盘山隧道为工程背景,结合现场监测数据,建立有限元模型,分析不同边墙矢跨比及初期支护参数对隧道变形的影响,借此得到合理的初期支护参数。结果表明:原有支护结构中“直边墙”对于隧道水平方向变形与压力抵抗能力较弱,当边墙曲率调整至0.12后,支护结构的受力和变形情况得到明显改善;初期支护参数中锚杆参数对于隧道变形控制效果较小,增强衬砌的强度可以有效控制隧道的变形;通过围岩-支护特征曲线对优化后的支护方案进行安全评价,发现其安全性能较之前显著增强,现场应用结果也表明支护结构并未出现破坏失稳现象,隧道变形得到有效控制。研究结果对类似工程变形控制及支护方案优化提供一定的参考依据。     

梁锚结构加固浅埋隧道洞口软弱地层的承载特性研究*

针对隧道洞口埋深浅且软弱围岩稳定性差这一问题,提出在地表增设混凝土框架梁,设置扩大头锚杆与框架梁连接并深入软弱围岩,运用数值模拟分析“混凝土框架梁-扩大头锚杆”结构加固软弱地层后的力学特性。研究结果表明:采用“混凝土框架梁-扩大头锚杆”加固隧道洞口软弱地层,k=0.4时,相比于没有加固对照模型,隧道最大拱顶沉降值下降68.7%,隧道最大边墙收敛值下降15.1%,初期支护最大等效应力减小12.7%;建立不同加固区围岩松动压力分散系数k下的数值模型,通过拱顶沉降结果与加固区围岩松动压力分散系数的线性拟合,提出采用加固结构后的隧道拱顶沉降规律与围岩松动压力计算方法。     

不同围岩和埋深条件下高地温隧道围岩稳定性影响研究*

为了研究围岩等级及埋深对高地温隧道围岩稳定性的影响,以红河州建（个）元高速公路尼格隧道为工程背景,采用现场测试、正交试验及数值模拟相结合的方法,探讨围岩等级、埋深及温度对隧道围岩稳定的敏感性。研究结果表明:隧道拱顶沉降量随围岩等级及埋深的升高而增加,而隧道拱顶沉降量随围岩温度的增加呈先减小后增加的趋势,影响隧道拱顶沉降因素主次顺序为围岩等级、埋深及温度。将数值模拟与现场监测结果对比分析,验证数值模拟的可靠性及准确性。研究结果可为类似高地温隧道设计和施工提供参考。     

深井动压影响下山煤巷围岩变形机理与控制研究

以刘桥一矿Ⅱ66回风下山为工程背景,采用现场实测、实验室实验、数值模拟和工业性试验综合分析了下山煤巷非对称变形破坏机理,提出动压影响下深井软弱煤巷围岩多层次组合控制理论,并给出优化控制措施。研究表明:回风下山变形失稳严重并呈非对称性,围岩完整性较差,强度低。地应力实测显示,回风下山处于高原岩应力区,最大主应力为水平应力且具有明显方向性,与巷道轴线夹角为71°,断面顶底板剪切破坏风险较大;数值模拟显示,回风下山开拓延伸期间,受邻近轨道下山、辅助下山影响显著,4煤回采对其影响较小,6煤工作面回采是下山煤巷非对称失稳的主要诱因;提出以围岩深浅孔注浆为核心,以新型注浆锚索、锚杆为装备基础的高阻让压全断面组合控制理论,并给出具体优化方案。工业性试验显示,下山煤巷围岩变形得到有效控制。