拱盖法在岩质地区大跨隧道中的适应性分析

隧道上部开挖支护后与周边围岩共同作用形成"拱盖",为下部结构施工提供保障。隧道采用拱盖法施工,是为了充分利用围岩与支护相互产生影响和耦合作用形成围岩-支护共同作用原理,发挥围岩的自承能力。本文对青岛地铁大跨度隧道开挖工法进行了总结,并运用有限元软件进行数值模拟,进一步阐述了拱盖法在"上软下硬"岩质地层中的较强适用性。     

上软下硬地层隧道围岩失稳破坏影响因素研究

采用正交试验与极差分析相结合的方法,对隧道跨度W、埋深h、高跨比λ、隧道开挖方法和掘进尺寸等工程因素对上软下硬地层隧道稳定性的影响作了分析对比。当软硬地层组合不同时,分析研究了在W、h、λ、软硬地层分界结构面位置参数β、上部较软地层物理力学参数Ds和下部较硬地层物理力学参数Dx等地质因素、工程因素共同作用下,上软下硬地层隧道的稳定性。结果表明:W和h是工程因素中影响上软下硬地层隧道稳定性的2个主要因素,其次是λ;当隧道开挖后,自身能够稳定时,W是地质因素、工程因素共同作用下,影响隧道稳定性的主要因素,反之是Ds。     

上软下硬地层边坡地震动载下稳定特性的拟静力分析方法

结合强度折减法思想,并考虑到上软下硬地层边坡特点,基于拟静力法,对地震作用下的上软下硬地层边坡稳定性进行分析。采用正交试验和极差分析法,比较坡高H、坡角β、上部地层厚度h和软硬地层参数对不同强度地震下的上软下硬地层边坡稳定性的影响。当H、β、h一定,而上部地层内摩擦角s、黏结力cs及水平地震作用系数kH在一定范围内取值时,研究这3个参数变化对上软下硬地层边坡稳定性的影响,并分析了上软下硬地层边坡的稳定性演化规律和破坏过程。在H、β、h以及软硬地层参数一定时,分析kH和比例系数ξ的取值对上软下硬地层边坡稳定性的影响。研究结果表明:β和h是影响地震作用下的上软下硬地层边坡稳定性的主要因素,其次是H;而且h的敏感度会随着地震强度的增强,进一步增大。在不同H、β和地震强度下,边坡安全系数F_s与c_s和Φ_s近似成线性比例关系。水平地震作用对安全系数影响最大,竖向地震作用次之。     

基于博弈论-云模型的隧道围岩稳定性分析模型研究

为科学合理评估隧道围岩稳定性,考虑了隧道围岩安全具有随机和模糊性特点,引入云理论建立综合评价模型。首先,在分析和参考文献基础上,选取了6个影响因素,构建了隧道围岩稳定性综合评价指标体系。其次,基于三标度理论改进层次分析法确定指标主观权重,引入变异系数改进CRITIC法确定指标客观权重,采用博弈论确定指标组合权重;根据稳定性分级标准确定云的数字特征并生成了指标云图,分别计算各评估对象不同等级下的单指标隶属度和综合确定度,并基于最大隶属度原则确定等级。最后将模型应用到隧道围岩安全性评价中,并与可拓理论和属性识别评价模型对比,研究结果表明所建立的评价模型评估结果准确可靠、切合实际,对隧道施工具有一定的指导意义,为隧道围岩稳定性评估提供了一条可量化的新思路。     

深埋背斜软层巷道围岩稳定性演化规律研究

针对深埋背斜构造软岩地层巷道围岩的稳定性问题,通过70组数值模型并结合现场试验,研究了在深埋背斜构造的软岩地层中开挖巷道后,围岩稳定性表征变量随应力场和巷道轴向布置角度α变化的演化规律,揭示了深埋背斜构造软岩地层中巷道位置布置与轴向角度设计对巷道围岩的稳定性影响。结果表明:1)背斜构造中巷道布置位置和轴向布置角度α的变化均对围岩稳定性产生明显影响,且后者的影响更加显著;2)背斜构造中两翼处的围岩稳定性高于脊线附近,在进行巷道布置设计时,应综合考虑位置与轴向角度对围岩稳定性的影响,并将巷道布置在有利于围岩稳定的一侧。     

基于等效数值法的地下工程围岩稳定性评价研究

基于等效数值原理并结合地下工程围岩本身特性,对地下工程围岩稳定性进行了评价。选取5个影响围岩稳定性的指标进行评价,分别是围岩质量指标D值、单轴抗压强度Rc、岩体完整性指标Kv、地下水渗水量W和节理状况,并把围岩稳定性等级分为5级。将该方法用于大冶铁矿一地下工程围岩的稳定性评价中,并与模糊识别法、可拓方法进行了比较。研究结果表明,等效数值法用于围岩稳定性的评价,具有识别能力强,计算简单高效的特点,便于工程应用。     

膨胀性围岩隧道衬砌结构安全性评价

结合某膨胀性围岩隧道衬砌结构病害分布特征,对典型膨胀性围岩隧道衬砌结构进行了质量检测和承载力分析,并结合衬砌结构稳定性监测规律、检测结果进行结构计算,从质量缺陷、结构承载力、变形稳定性3个方面进行深入分析,最后对隧道结构安全进行了综合性评价。     

软弱围岩并行隧道合理间距与超前地质预报研究

针对隧道间距和不良地质体对双孔并行隧道稳定性的影响,对软弱围岩条件下并行隧道的合理间距与超前地质预报效果进行了研究.以岩石力学理论为指导,对不同隧道间距工况下的双孔并行马蹄形隧道的开挖过程进行数值模拟,获得了围岩及中间岩柱的应力分布规律.试验结果表明:隧道间距大小对中间岩柱受力状态影响显著;Ⅴ 级围岩条件下,隧道间距应大于１．５倍洞半径;地质雷达图像能够有效反映出掌子面前方围岩中的不良地质体和隧道的衬砌情况.     

思山岭铁矿1 500 m副井基岩段井筒围岩稳定性分析与控制研究

针对传统浅埋竖井井筒围岩稳定性控制理论、方法应用于深竖井建设存在的局限性,以思山岭铁矿1 500 m副井工程为依托,进行了深竖井井筒围岩稳定性分析与控制方法研究。通过无支护自稳跨度、自稳时间等指标对该矿副井基岩段的井筒围岩稳定性进行了分析,其最小无支护自稳跨度为22 m,对应的自稳时间为125 d,可保证副井基岩段掘进进尺4 m、掘进循环周期为1～2 d的井筒围岩稳定性,然而考虑副井基岩段井筒围岩掘进至役期的长期稳定,副井开挖后仍需对井筒围岩进行支护。同时,基于新奥法(NATM)与挪威隧道施工方法(NTM),提出了强调充分发挥井筒围岩自稳能力的深竖井井筒围岩稳定性控制理论,建立了锚网喷初次支护与混凝土衬砌永久支护相结合的深竖井井筒围岩稳定性控制方法,并据此结合该矿副井基岩段井筒围岩支护设计,分析了深竖井井筒围岩支护设计的基本流程,提出了副井基岩段井筒围岩支护设计方案。通过Phase 2数值模拟评估了该矿副井基岩段井筒围岩支护设计的安全性,验证了所提出的深竖井井筒围岩稳定性控制理论、方法以及支护设计方法应用于深竖井建设的可行性。     

巷道复合顶板变形破坏特征与冒顶隐患分级

煤层顶板岩性复合及分层厚度变化大,稳定性差异显著。针对巷道层状复合顶板条件,采用现场探测、数值模拟、理论分析等方法,研究了顶板岩层结构分类、顶板变形破坏特征与平衡结构及冒顶隐患评价。研究表明:巷道复合顶板岩层结构可分为坚硬岩层、软弱岩层、下软上硬、下硬上软、软硬渐进、硬软相间及软硬相间等7个类型。对于较差的顶板岩层结构,在层面和节理影响下,巷道顶板下位分层形成离层、随动稳定状态的铰接岩块结构及亚稳定状态的裂隙弯曲结构,其范围和承载能力与顶板岩层结构类型有关,顶板变形和锚索延伸量呈现不协调性。采用锚索是否破断失效作为分级指标,建立了冒顶隐患的分级方案,划分了典型顶板岩层结构的隐患等级,对3个级别的冒顶隐患进行了安全评估。     

过断层巷道修复技术研究与实践

针对东欢坨矿-230 m辅助回风大巷过断层段巷道围岩变形严重,影响矿井安全生产的不利局面,深入分析了该段巷道围岩变形机理。研究表明:该段巷道围岩碎裂现象严重,遇水膨胀软化,兼有工程软岩和地质软岩的特点,巷道围岩以破碎软岩大变形为主要特征。提出了超前注浆,高密锚喷联合支护的巷道修复技术,并利用数值模拟的方法进行了论证。工程检测表明,修复完成后巷道顶底及两帮收敛变形均低于210 mm,收敛速度均低于2 mm/d,巷道很快达到整体稳定,围岩变形得到了根本控制。     

不同埋深条件下直墙拱顶巷道破裂的数值试验

为研究不同埋深条件下直墙拱顶巷道围岩破裂形态,采用RFPA2D软件进行了数值模拟试验。通过数值试验发现:不同埋深条件下的巷道围岩均从巷道的拱脚和墙角处最先发生破坏,且沿拱脚斜向下和沿墙角斜向上扩展,最终导致巷道两帮围岩破裂失稳;同时由于深部巷道围岩的荷载较大,破坏裂缝也从巷道两帮扩展到拱顶和底板。通过分析巷道围岩应变数据,发现围岩体内径向拉应变是造成巷道围岩破坏的主要原因。该数值试验结果与有关物理试验结果具有一致性,能进一步丰富深部岩体破裂方面的研究成果,更好地指导深部地下空间的开发和应用工作。     

牦牛山隧道洞口数值模拟及地震动态曲线分析

通过对雅砻江锦屏一、二级水电站对外专用公路牦牛山隧道松软围岩洞口的动态稳定性数值模拟分析,研究松软岩体隧道洞口的地震动态曲线特性,提出该类围岩隧道洞口的抗震措施.     

火成岩复杂地质环境巷道交岔点成套施工技术

马钢集团姑山矿为典型的火成岩复杂地质环境，传统支护不能满足巷道的稳定要求；为采取合理的开拓与支护方案，对后和睦山矿段-300 m水平车场马头门南迎头N14交岔点进行了针对性研究，决定采用导硐施工方法，根据现场地质特点及锚网喷、锚注、锚索支护机理，采用锚网喷进行一次柔性支护，锚注与锚索联合进行二次加强支护的复合支护方案，取得了良好的技术效果与经济效益。研究结果表明，对于扰动较大的交岔点施工应及时进行柔性让压支护；对于破碎、易膨胀性围岩应及时进行封闭处理；对于大断面巷道或大松动圈围岩应进行锚注与锚索联合加强支护。     

基于复合材料力学的锚固巷道数值模拟研究

为了建立一种符合锚喷支护围岩稳定性分析和支护参数总体评价的简化等效计算方法,应用复合材料力学的基本原理,建立了加锚岩体的复合材料力学模型。首先将锚杆和砂浆视为弹性体,推导了锚杆-砂浆复合体等效力学模型的弹性参数;然后将岩体和锚杆-砂浆复合体视为复合增强材料,建立了横观各向同性体模型,并推导了该等效力学模型相应参数的确定公式。在此基础上依据工程实例,分别进行了复合后巷道模型与常规离散巷道模型的数值模拟研究;通过对巷道两帮、顶、底部位移和围岩应力的对比分析,验证了该等效方法的可行性和适用性。     

千米深井软岩巷道挤压变形力学特性及控制研究

 为了研究千米深井软岩巷道挤压变形力学特性及控制对策,以淮南朱集煤矿-906m东翼轨道大巷为依托工程开展研究,该巷道为典型的千米深部高地应力软岩巷道,开挖后围岩产生强烈的挤压变形。通过现场地应力测试获取地应力值和室内岩石力学试验获取围岩力学参数,根据Hoek挤压变形等级曲线判断出该巷道变形为非常严重的挤压变形;通过Phase2有限元数值仿真软件分析了该巷道的围岩稳定性,计算结果表明巷道开挖后围岩变形破坏严重,拱顶位移和底臌量大,与现场情况吻合。基于深部岩石巷道围岩稳定性控制理论和“分步联合支护”理念,针对该巷道的挤压变形特点制定了相应的支护方案,其主导思想是增强围岩自身强度和支护结构的抗变形能力,尤其重视底板支护。通过有限元数值软件计算分析和现场监测验证、评价了该支护体系的强度,结果表明所提出的支护方案取得了良好的效果,能够有效的控制围岩挤压变形。     

煤矿井下复杂顶板巷道支护工艺研究与应用

针对新村煤业13111上顺槽掘进巷道顶底板软岩巷道顶板变形严重、支护困难等问题,通过从理论研究、取样分析、现场测试等方面进行研究,在此研究的基础上对原巷道施工断面、锚杆索支护参数、支护工艺等进行优化改进。经现场应用及测试结果显示,采用优化后的支护方案后,巷道围岩变形得到有效控制,工作面实现了安全高效回采。