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。     

软岩大变形巷道支护技术及应用

针对三门峡铝土矿软岩巷道大变形难支护的问题,综合现场工程地质调查、软岩水理作用测试、现场测试等手段和方法,对该地区巷道破坏模式和失稳机理进行详细分析,提出了锚喷-砌碹相结合的互补支护技术。按照互补支护参数建立数值模型并进行稳定性分析,数值计算结果表明在此支护方式下巷道各部位围岩收敛变形控制良好,且支护后围岩安全系数较之前明显提高。将新支护方案进行工程试验,巷道变形监测数据表明,支护后的巷道变形得到了良好的控制,混凝土喷层未出现裂缝,围岩变形速度迅速减小;锚喷10天后围岩变形基本稳定,此时进行二次砌碹支护效果最好,可以保证巷道的长期稳定。     

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。     

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。     

某公路隧道围岩稳定性及支护方式分析

跟踪某隧道施工,进行地质素描和节理统计,通过赤平投影分析节理发育分布规律,建立岩体结构模型;根据隧道围岩结构模型,运用离散元分析方法计算围岩稳定性,并结合现场塌方分析围岩破坏模式。通过离散元分析及时支护和无支护情况下围岩稳定性,探讨钢格栅锚杆组合进行初次支护的力学机理;根据现场钢格栅承受压力和隧道收敛监测,分析某隧道施工中围岩和支护体系的稳定性,总结出隧道施工中安全事故的主要原因,并给出合理的支护建议。     

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。     

交通荷载作用下超浅埋隧道洞口段变形及控制研究*

为研究交通荷载作用下超浅埋隧道施工的安全性及其控制方法,利用功效系数法分析隧道施工时的风险程度,结合有限元软件模拟交通荷载作用下隧道的变形特征,并探究不同开挖方法及支护条件下隧道变形情况,最后与现场实际监测数据进行对比。研究结果表明:交通荷载对隧道施工影响较大,施工时应采取管制措施;隧道下穿段施工风险较大,应采用双侧壁导坑法开挖;单层大管棚加小导管注浆的超前支护措施可以保证隧道施工安全进行。     

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。     

TSP203隧道地震预报系统在拱坝隧道围岩稳定性超前预报中的应用

以上(海)瑞(丽)高速公路湖南境内邵(阳)-怀(化)段拱坝隧道掘进中掌子面前方岩体结构的超前预报为例,介绍了TSP203地球物理探测新方法,预报了该隧道右线YK91+163-YK91+080段的围岩由于节理发育,且地表水与节理裂隙贯通性较好,因此稳定性较差,在施工中将很易造成坍塌,应按Ⅱ类围岩支护;在YK91+080-YK91+045段围岩稳定性较好,可视具体情况变更支护方案;YK91+031-YK91+013段,可能存在层间破碎带或软弱夹层,在施工过程中需要加强支护。通过探测保证了及时、详细、准确地了解开挖掌子面前方的岩体结构情况,为施工单位合理安排施工作业进度、保障施工人员生命安全、减少工程隐患提供了科学依据。     

高速公路隧道地质超前预报方法比较

由于隧道工程属于隐蔽性工程,工程岩体地质条件复杂多变,为了更好地探明隧道围岩体内的各种缺陷,并预测预报可能引发的隧道地质灾害的不良地质体的位置、规模和性质,为后续工程开挖与支护提供合理的措施,采用相应的地质超前预报是重要且必要的.根据隧道工程界常用的地质超前预报方法,对其使用方法、作用原理及其特点进行对比分析,以便借鉴采用.     

阻塞条件下地铁隧道坡度对烟气逆流长度影响研究

在隧道纵向通风系统设计中,烟气逆流长度是至关重要的参数,传统的理论预测模型多适用于公路隧道,对阻塞条件下有坡度的地铁隧道烟气逆流长度的研究较少。通过理论分析、缩尺寸实验和FDS数值模拟,推导了适用于阻塞条件下有坡度的地铁隧道的无量纲烟气逆流长度模型,得到了烟气逆流长度随坡度的变化规律。研究结果表明,基于FDS模拟的水平地铁隧道烟气逆流长度与实验结果变化规律基本一致,该FDS模型可以研究不同坡度工况,且逆流长度随着坡度的增加呈增加趋势。     

基于微台阶法对连拱隧道稳定性的研究

为研究软弱围岩基于微台阶法连拱隧道合理的掌子面纵向间距、仰拱一次开挖长度和开挖进尺施工参数,确保隧道安全和高效施工,以云南省元蔓高速公路风口山隧道为研究对象,从力学机理上分析了施工参数对隧道稳定的影响,采用数值模拟方法,分析纵向间距对中隔墙水平位移和开挖面叠加效应的影响、仰拱一次开挖长度对拱腰水平位移和中隔墙受力的影响、开挖进尺对围岩变形特征和掌子面剪应力的影响,对连拱隧道微台阶法进行最优化设计。结果表明,掌子面纵向间距2D、仰拱一次开挖长度4 m、开挖进尺2m为宜,可为类似连拱隧道的施工提供指导。     

季节性河流对下穿地铁隧道结构影响研究

为研究季节性河流的周期丰水与枯水作用对下穿该河床的地铁隧道结构的影响,以某区间隧道下穿浑河河床为工程背景,研究并预测了2012年4月到2022年4月的丰水与枯水周期变化过程中,水体重力作用对隧道管片应力应变的累积影响。利用基于三维显式有限差分法的计算工具Flac-3D,对上述周期变化过程进行了建模,并对隧道结构受到的应力应变影响进行了模拟。结果表明,隧道的长期沉降停止于2014年4月,隧道竖直方向受力稳定于2013年4月。稳定后,隧道沉降量对周期性丰枯作用的响应程度与监测点到河床中心位置的距离成正比,分别为0、1.3%、1.8%;周期性丰枯作用对所有监测点附近区域的竖直受力影响都很大,约为21.7%。     

隧道火灾纵向通风下羽流触顶区温度变化研究

根据Boussinesq相似性,利用流体力学基本方程,建立隧道火灾羽流三维模型,并借助量纲分析方法,推导了触顶区温升公式.在假设的隧道模型下,通过改变火源功率和纵向风速设计了多个算例,利用温升公式进行计算,并与场模拟结果比较,归纳了触顶区温度的变化规律.结果表明,同一火源功率下,触顶区温度随纵向风速增加而降低,并趋于一稳定值,其大小约为最高温度的1/3.还对温降过程中的突变现象进行了分析,讨论了中心低温区及不同羽流对温度的影响.最后对火灾救援的通风策略提出了建议.     

隧道路段逆反射轮廓标设置技术研究

隧道是高速公路事故多发路段,为了提高隧道路段行车安全性,需为驾驶员提供与一般路段相近的视觉环境,以有效减少由隧道行车环境变化引起的驾驶员判断和操作失误,逆反射技术在提高隧道路段驾驶员视觉舒适性方面具有潜力.为了确定隧道路段轮廓标设计方案,利用Smart-Eye Pro 5.7型眼动仪,对隧道路段逆反射轮廓标设置技术进行试验,获得了不同逆反射轮廓标组合方案的驾驶员视觉数据.结果表明,小型车和大型车驾驶员对逆反射轮廓标设置高度的视觉差异性明显,设置高度约为0.4 m的逆反射轮廓标对小型车驾驶员的视觉环境改善效果最佳,相应地,大型车约为1.0m.从控制隧道内明暗变化的闪频出发,轮廓标间距以15 m左右为宜.为满足驾驶员视觉舒适性要求,应将驾驶员瞳孔直径变化率控制在0.396 ～ 1.302mm/s,据此确定小型车适用的轮廓标反光膜为超强级,大型车为工程级.研究成果在G65高速公路木冲隧道的应用使驾驶员瞳孔直径变化率控制在1.302 mm/s以内,并使同期事故减少了51.8％.     

外错型走向高抽巷瓦斯抽采技术应用研究

为探究外错型高抽巷在实际应用中的适用性、可行性以及多功能性,以李雅庄矿2-603工作面外错型高抽巷为研究对象,在考察矿井实际情况的基础上采用理论分析和数值模拟对外错型高抽巷的治理效果进行分析。得出:外错型高抽巷相较于内错型高抽巷巷道位移量小,便于管理;外错型高抽巷不但能作为下一工作面采空区的内错型高抽巷,并且从其内部向下打穿层钻孔能保证下一工作面掘进工作的安全进行。根据现场实测数据分析,外错型高抽巷钻孔抽采的平均抽采浓度在27.38%左右,平均抽采纯量在22.45m3/min左右,上隅角瓦斯基本保持在0.3%左右。外错型高抽巷"一巷多用"的特点,既能满足矿井安全生产的要求,也可以提高经济效益。     

Embedding the human factor in road tunnel risk analysis

The paper is focusing on road tunnel safety and builds upon the Directive 2004/54/EC launched by the European Commission; the latter sets basic requirements and suggests the implementation of risk assessment in several tunnel cases apart from technical measures imposed on the basis of tunnel structural and operational characteristics. Since the EU Directive does not indicate the method for performing risk assessment, a wide range of methods have been proposed, most of them based on quantitative risk assessment (QRA). Although the majority of current road tunnel QRAs assess physical aspects of the tunnel system and consider several hazards concerning the transportation of dangerous goods through a tunnel, they do not take into account, sufficiently, several organizational and human-related factors that can greatly affect the overall safety level of these critical infrastructures. To cope with this limitation this paper proposes a fuzzy logic system based on CREAM method for human reliability analysis (Hollnagel, 1998) in order to provide more sophisticated estimations of the tunnel operator's performance in safety critical situations. It is deduced that a human reliability analysis component to analyze operator performance, like the fuzzy system proposed here, is important for risk analysts. Consideration of organizational and human factors will enhance risk analysts’ studies and highlight the uncertainty related to human performance variability.     

Introducing the STAMP method in road tunnel safety assessment

After the tremendous accidents in European road tunnels over the past decade, many risk assessment methods have been proposed worldwide, most of them based on Quantitative Risk Assessment (QRA). Although QRAs are helpful to address physical aspects and facilities of tunnels, current approaches in the road tunnel field have limitations to model organizational aspects, software behavior and the adaptation of the tunnel system over time. This paper reviews the aforementioned limitations and highlights the need to enhance the safety assessment process of these critical infrastructures with a complementary approach that links the organizational factors to the operational and technical issues, analyze software behavior and models the dynamics of the tunnel system. To achieve this objective, this paper examines the scope for introducing a safety assessment method which is based on the systems thinking paradigm and draws upon the STAMP model. The method proposed is demonstrated through a case study of a tunnel ventilation system and the results show that it has the potential to identify scenarios that encompass both the technical system and the organizational structure. However, since the method does not provide quantitative estimations of risk, it is recommended to be used as a complementary approach to the traditional risk assessments rather than as an alternative.     

考虑脆性损伤和渗流的圆形水工隧洞稳定性分析

为获得更准确的隧洞围岩塑性范围和力学特征,基于非线性脆性损伤和统一强度理论,考虑渗流场和中间主应力系数,推导出隧洞围岩弹塑性应力和塑性范围表达式。通过算例分析,得出渗透比（围岩与衬砌渗透系数之比）等相关参数对隧洞塑性范围和应力的影响规律。研究结果表明:隧洞切向应力具有不连续性,在衬砌、塑性区交界处及弹塑性交界处均发生突变;随渗透比和围岩脆性程度的增大,围岩塑性半径逐渐增大,塑性区切向应力逐渐减小;中间主应力系数越大,围岩塑性半径越小,塑性区切向应力越大。采用注浆加固圈进行支护,可有效地降低围岩渗透性,减小塑性范围。研究成果可为水工隧洞支护设计和稳定性分析提供一定的理论指导。     

快速密闭时火区热物理参数变化规律的研究

在全尺寸巷道火灾试验中,利用48路全自动数据采集系统,研究了快速密闭条件下火区的燃烧状况及温度和压力变化规律.试验发现,作用在风门上的抽吸力很大,很快降到很小;而燃烧区的温度迅速上升,烟及挥发分的产物迅速增加,氧的相对含量下降,之后燃烧减弱,温度迅速下降;燃烧区高温烟气沿着顶板逆向迁移至密闭墙,使附近的温度迅速上升至293 ℃;快速密闭设施必须要有一定的刚性和耐火特性;对贫氧燃烧,有利于火区的惰化,而对富氧高挥发分燃料火灾,有爆炸的危险;适当减少供风量,截断供风后应及时采取惰化措施.