在高地应力作用下近水平岩层隧道掌子面稳定性分析及控制*

为了研究大峡谷隧道开挖中掌子面大范围塌方及支护失效问题,分析现场水平层状围岩失稳特征,基于3DEC离散元软件探究掌子面失稳机理,提出塌腔处治及支护整体优化控制措施。研究结果表明:掌子面塌方主要表现为顺层滑移、挤压离层、局部掉块。开挖后拱顶沿水平层理面发生离层,导致掌子面分层垮落,层间错动掉块。围岩拱顶块体呈斜向下45°变形发展,掌子面中部和底部呈平行隧道轴向变形发展,根据塑性区和剪切滑移区扩展范围,最终形成宽5 m、高4 m的塌腔,掌子面前方岩体受影响深度3~4 m。对易塌方段提出台阶法开挖等控制措施,现场监测洞周位移收敛量不超过5 cm,整体优化后支护效果明显。     

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。     

喀喇昆仑公路深埋隧道岩爆特征及影响因素分析

为研究板块碰撞区高地应力条件下隧道开挖过程岩爆的致灾特征,确保施工安全,以喀喇昆仑公路2号隧道为工程依托,通过对隧道施工期间1 110次岩爆记录深入研究,分析总结出岩爆的运动类型、发生位置、坑口性状、岩体散落等方面的基本特征,以及岩爆次数与埋深、开挖暴露时间、掌子面距离关系等岩爆特征规律.根据岩爆特征,并结合室内岩体物理力学性质试验成果和区域地质环境条件,综合分析认为2号隧道岩爆的发生是受区域挤压构造应力场、片麻岩脆性指数高、最大水平主应力方向与隧道轴线大角度相交、高山峡谷谷底应力集中、岩爆段干燥无水、隧道断面形状及开挖方式等因素影响,其中区域挤压构造应力场对岩爆的发生起控制作用.并在此基础上,提出了对围岩实施喷水软化、调整爆破参数、在掌子面钻超前卸压孔等有效的岩爆预防措施,在一定程度上降低了岩爆的发生概率.研究结论为今后在高地应力环境下建设地下工程避险岩爆灾害提供了一些认识和理解.     

强风化花岗岩隧道二次衬砌支护时机研究

通过应用RFPA软件分析不同尺寸下强风化花岗岩的岩体变形特性、破坏规律及声发射特征;在隧道开挖过程中通过埋设应力计、位移及声发射仪监测隧道的变化特征,分析开挖过程中岩体应力变化规律、位移变化规律及声发射特性,通过对比数值分析结果,确定了强风化花岗岩的二衬支护时机,并经现场验证,证明了二衬支护时机合理性。     

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。     

巷道顶板三维板梁结构的传力机制研究

为了揭示巷道开挖前后,巷道顶板三维板梁结构内应力场的演化规律,通过建立层状岩层的承载传力力学模型,研究了层间结构面和层状岩体变形对承载和传递应力的扰动作用,提出了层间结构面和层状岩体承载传力的能量分析方法,确定了层状岩体的应力传递和应变能密度解析解,揭示了结构面储能和层状岩体承载传力的影响规律,并在淮南张集矿1412A工作面开展工程应用。结果表明:法向刚度和切向刚度决定了层间结构面的储能能力,法向应力和切向应力决定了结构面的实际储能大小;岩层的承载应力并非等于上部岩层的负重,而是上部岩层的作用应力、自重应力、下位岩层的作用应力叠加的结果;应力传递效率与相邻上下层岩层的容重比呈正相关关系,与层厚比呈负相关关系,与弹性模量比呈负相关关系;1412A工作面开采时,1#煤顶板第1层薄的软弱泥岩无法承载上方岩层的重量,第2层厚的中砂岩可以承载上方岩层及自身重量,载荷应力为0.90 MPa,计算得到该类条件下基本顶初次断裂步距为30.7 m,与现场实测结果基本一致。     

预防隧道坍塌 落实针对性措施

<正>今年以来,国内多个施工项目发生隧道坍塌事故,导致正在掌子面及拱面作业的多名人员被困。造成事故的原因是多方面的:既有岩体破碎的地质条件原因,也有设计因素,对隧道地质判析不清、对围岩变化风险认识不足、仰拱开挖工序管控不到位、对可能出现的坍塌危险防控不力等。建设单位及设计、监理、施工单位都要深刻吸取事故教训,警钟长鸣,深刻反思,认真查找和堵塞自身管理漏洞,     

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。     

管棚预支护条件下隧道开挖面稳定的可靠度分析

为考虑土体参数的变异性对隧道开挖面稳定性的影响,基于可靠度理论,采用三维弹塑性有限元数值模拟方法,计算管棚预支护条件下隧道开挖面极限支护力;以不同工况下地层参数及其极限支护压力比作为样本,待BP神经网络训练完毕后,即可预测大量给定地层参数工况下的开挖面极限支护压力比,对其进行统计,得到概率分布特征;在理论分析的基础上,结合工程实际,建立了管棚预支护条件下隧道开挖面稳定的极限状态方程,运用粒子群优化算法,对其进行可靠度分析。研究结果表明:采用管棚预支护的隧道,开挖面支护压力存在极限值,达到该值后,增加较小幅度的支护力,就能较大程度地提高隧道开挖面稳定的可靠度。     

深埋隧洞掌子面岩爆的真三轴试验模拟

深埋隧洞施工过程中开挖掌子面上发生的岩爆灾害严重威胁施工人员与设备安全。为了探究掌子面岩爆的发生机制与特征，利用高压伺服真三轴试验机，采用预制非贯通圆孔花岗岩立方体岩样(150 mm×150 mm×150 mm),成功模拟了深埋隧洞掌子面岩爆过程。结果表明：掌子面岩爆主要经历颗粒弹射、劈裂成板和板折弹射3个阶段；在相同加卸载条件下，与常见的出现在围岩四周洞壁的岩爆现象相比，掌子面岩爆的孕育过程以张拉破裂模式为主，动力失稳前夕出现明显板裂屈曲现象，岩块弹射烈度相对较弱，但动力失稳过程在时间上更为集中，岩体破损体积较大；与单向开挖情况相比，双向开挖情况下且掌子面岩柱厚度较小时，掌子面岩爆更易发生，岩爆烈度更高，需采取有效安全调控措施。     

基于Hoek Brown强度准则深埋隧道掌子面稳定性分析*

为了研究孔隙水压力作用下深埋隧道掌子面的稳定性，构建了深埋盾构隧道的二维刚性有限平动多块体的破坏模式，并引入了Hoek Brown强度准则。利用极限分析得到掌子面前方土体的内部耗散能和外力做的功，利用Hoek Brown强度准则推导得到极限支护力的目标函数，通过MATLAB数值软件的规划求解得到支护力的解，和既有文献中的成果对比，2种方法得到解的最大误差为6.7%，验证了Hoek Brown强度准则的有效性。对各个岩体参数下深埋隧道掌子面极限支护力的变化规律进行分析，结果表明:深埋隧道掌子面前方的极限支护力随着扰动因子D和孔隙水压力系数ru的增大而增大，随着地质强度指标GSI和参数mi的增大而减小；破坏范围随着参数mi和孔隙水压力系数ru的增大而减小，而随着地质强度指标GSI和扰动因子D的增大而增大。研究结果可为岩质地层中深埋盾构隧道掌子面支护力的设计提供理论依据。     

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。     

浅埋隧道下穿超近距密集管线施工变形时空特性研究*

为分析浅埋隧道下穿密集管线施工地层与管线群变形时空特性,基于南昌地铁三号线邓埠站1号出入口暗挖隧道工程,利用理论分析、数值分析结合现场监测的方法进行研究。研究结果表明:隧道上方密集管线中位于前方的管线先承担开挖释放的部分土体应力,使其后方管线的变形大幅减小,平均减幅达23%;地层变形始终朝向掌子面,在掌子面到达时水平位移最大;因管线-土体共同作用,土体释放部分应力转移到地下管线,使地层沉降减小24%~38%,沉降槽宽度扩大40%;施工期间建议对污水管变形重点监测,在管线平均变形速率急速增大时,需提高监测频率。研究结果可为该地区相似工程施工提供参考。     

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。     

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。     

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。     

基于Hoek-Brown强度准则的隧道围岩松动圈分析

分析松动圈的分布范围对优化隧道支护参数,确保隧道施工安全有重要的理论价值,以弹塑性理论计算为基础,利用H-B强度准则推导了理想状态下围岩松动圈厚度的计算公式。当侧压力系数不等于1时,将实测竖直方向和水平方向的初始地应力分别带入,并考虑实际支护力的影响,得到较为准确的围岩松动圈分布规律。在铜旬高速某公路隧道中该方法计算所得围岩松动圈分布范围与围岩深部位移监测所得结果较为接近,验证了基于H-B强度准则的围岩松动圈计算公式的准确性,为确定围岩松动圈半径提供了新的有效方法。     

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。     

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。