不同地质条件下浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性研究

不同围岩条件下浅埋偏压小净距隧道的围岩稳定性相差很大,特别是半软半硬岩层隧道,由于软硬交界面的存在,其施工力学特性更加复杂。使用FLAC3D模拟不同净距下均质硬岩、均质软岩和竖向半软半硬岩隧道施工15种工况,对比分析中岩墙、拱顶上部围岩、仰拱处围岩和边坡的围岩稳定性。结果表明:隧道开挖引起均质围岩中岩墙上部水平位移最大,而半软半硬岩中部水平位移最大,中岩墙上部围岩稳定性最差;0.6B净距可以作为半软半硬岩偏压小净距隧道的临界值;半软半硬围岩隧道开挖引起拱顶沉降量和硬岩隧道比较接近,远小于软弱围岩隧道拱顶沉降;隧道开挖引起软岩侧洞室上覆盖层围岩稳定性变差;隧道开挖引起拱顶上部围岩破裂面整体呈"W"形,仰拱部围岩破裂面呈"M"形。     

半硬半软岩层小净距隧道洞口段监测分析

针对雷公浦小净距隧道后行左洞洞口段具有半硬岩层半软岩层的特点,在开挖过程中,按照新奥法对隧道地表沉降、拱顶下沉、水平收敛、中间岩柱的位移、锚杆轴力、围岩压力和钢拱架应力等项目进行监测。监测结果表明,采用预留核心土法可以较好地控制围岩变形和应力;后行洞的拱顶沉降大于先行洞,且软岩一侧的下沉量更大;中间岩柱较薄弱,开挖初期往先行洞方向移动;降雨对围岩变形和压力影响较大,施工中应引起重视。研究结论可为类似条件下工程的设计、施工和监测提供借鉴。     

隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力特征研究

隧道开挖地层中往往呈现出明显的地质变异性,如软硬岩层的不均匀分布等,使隧道开挖后的力学行为十分复杂.本文采用FLAC3D初步分析了隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力状态,并探讨侧向应力、纵向应力、断面形式对围岩应力的影响规律.分析结果表明:当隧道由硬岩往软岩或由软岩往硬岩向地质界面掘进时,掘进面前方围岩均有应力集中现象.隧道无论由硬岩往软岩还是由软岩往硬岩掘进至地质界面时,掘进面前方边墙位置围岩径向应力均随侧向应力的增大而增大,掘进面前方拱顶和边墙位置围岩纵向应力均随纵向应力的增大而增大.马蹄彤隧道开挖至硬岩与软岩的地质界面时,掘进面后方边墙位置围岩应力均小于圆形隧道相应位置的围岩应力.     

软弱围岩隧道掌子面及超前核心土挤出位移特征研究

为研究软弱围岩隧道掌子面及超前核心土的挤出位移特征,用Solexperts AG公司生产的GMD滑动测微计对湄渝高速岐山隧道F215构造破碎带区域进行了挤出位移实测,通过有限差分程序进行系列数值试验,着重研究了隧道穿越软弱围岩期间挤出位移的变化特征,并分析了破碎带长度和硬软岩刚度比的影响。结果表明,(1)挤出位移的大小可反映前方围岩质量,挤出位移在超前核心土内的分布可反映前方围岩的节理裂隙发育情况;(2)隧道开挖在掌子面前方造成的扰动范围大致为1.5倍的隧道开挖跨度;(3)隧道接近前方变化地质区域时,挤出位移的增大或减小具有超前性;(4)软岩段长度在一定范围内会影响掌子面进入软岩区后挤出位移的大小和变化趋势;(5)硬岩与软岩间的刚度比越大,挤出位移变化速率越大,且隧道由软岩区向硬岩区掘进时挤出位移的变化时机越早,而由硬岩区向软岩区掘进时的变化时机不受刚度比影响;(6)可将对挤出位移的监测分析作为超前地质预报的补充手段判断掌子面前方围岩情况。     

软岩隧道围岩加固方法优化对比试验研究与分析

为解决软岩隧道工程的支护优化设计问题,研制出力学曲线与原岩相似的模型材料,形成软岩工程常用的支护设计方法对应的物理模型,即锚杆支护、锚喷支护、锚杆加长的锚喷支护,加上毛洞模型作为参考模型,4种平面模型形成三维模型后,置入大型真三轴模型试验机,在模型边界相同的条件下对软岩隧道的支护方法进行研究。试验结果表明：不同的支护方式具有不同的超载能力和不同的破坏特点;该相似模型材料对软岩大变形特点具有良好的适用性。试验还为软岩隧道支护设计提供了可靠的研究基础。     

时空效应下隧道的收敛变形预测及二衬合理支护时机

利用半解析计算方法,考虑了隧道周边收敛和拱顶下沉随时间和掌子面推进距离的变化情况,建立了相关的收敛模型,并由此给出了硬岩及软岩隧道中的二衬的合理支护时机,并结合工程实际对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩进行了周边收敛结果的最小二乘拟合计算。同时得出了这4个级别围岩相应的合理支护时机。     

汶川地震公路隧道普通段震害分析及震害机制研究

在汶川地震中隧道普通段出现了严重的震害,为了提高高烈度地震区隧道普通段的抗震性能,通过统计分析汶川地震公路隧道普通段震害调查资料,对隧道普通段进行了震害分析。结果表明,隧道普通段震害主要发生在软岩均一段、软硬围岩交接段软岩部分以及围岩缺陷段。通过三维有限差分数值模拟和现场典型震害分析,研究了公路隧道普通段的震害机制,探明了围岩均一普通段隧道震害机制,即硬岩隧道普通段基本无震害,软岩隧道普通段震害较严重,衬砌结构受地震惯性力影响较大,强制位移次之;探明了围岩软硬交接普通段隧道震害机制,即震害主要发生在软硬围岩交接段软岩部分,震害的主要影响因素为强制位移,地震惯性力次之;探明了围岩缺陷普通段隧道震害机制,即震害主要由地震惯性力造成强制位移影响很小。研究成果可为高烈度地震区公路隧道普通段的抗震设防提供参考。     

隧道地震波超前预报的数据采集技术

从实用技术角度介绍隧道地震波超前预报的工作原理与数据采集技术。从激发装置、接收装置及参数选定三个方面探讨数据采集技术的重要性,并详细阐述在坚硬岩、硬岩及软岩隧道预报的采集参数选定方法,并通过工程实例说明如何获得高质量的地震波预报原始数据。     

基于覆岩结构效应的导水裂隙带发育特征

为探讨黄陇煤田煤层采动引起的顶板水害问题，以煤层顶板不同覆岩结构采动导水裂隙为研究对象，概化了煤-软-硬-软-硬（组合一）、煤-软-软-硬-硬（组合二）、煤-硬-软-硬-软（组合三）及煤-硬-硬-软-软（组合四）4种典型的岩性组合结构，运用数值模拟和理论计算等方法，分析了不同覆岩组合采动破坏特征和覆岩导水裂隙与覆岩结构之间的相关关系，研究了覆岩结构对导水裂隙发育高度（简称“导高”）的影响规律。研究结果显示:在相同的采高条件下，煤-软-硬-软-硬型覆岩结构导高最小，煤-硬-硬-软-软型覆岩结构导高最大；工程实例表明，黄陇煤田煤层开采导高与采高之间并非简单线性关系，利用覆岩结构效应预测的导高更接近实测值。      

拉张盆地不同埋深复合地层中隧道围岩变形破坏数值模拟研究

不同埋深的软硬岩层叠置复合地层变形破坏形式复杂而使得软岩大变形和硬岩岩爆位置相关关系不够明确。在拉张盆地中自重应力为主,侧压系数一般较小且多数在1.0以内。本文以在水平和铅垂叠置复合地层中TBM开挖圆形断面隧道为例,采用有限差分程序FLAC3D对拉张盆地中不同埋深、不同叠置型式复合地层中TBM开挖后的三维弹塑性位移变形、主应力和塑性破坏分布变化特征展开数值模拟研究。模拟结果表明,围岩变形主要发生在软岩层地层中,埋深超过800 m后沿隧道轴向软岩大变形藕节状分段开始显现;随埋深增加,硬岩稳定性变差,顶拱位移增加尤其明显;随埋深增加,软岩和硬岩地层之间主应力差异变小,硬岩中储能明显;埋深越大塑性区分布范围越大;埋深较小时岩层以拉张破坏为主,埋深较大时以剪切破坏为主,两种状态的转换埋深(临界深度)约为800 m。由此对拉张盆地中深埋界限值给予了理论验证。     

隧道围岩强度不均地段塌方成因及其处理方法

由于地质构造作用以及风化作用,工程场地岩体中多存在围岩强度不均地段.在隧道施工过程中就经常遇到软硬岩石交汇而形成的地质条件复杂地段;给隧道的施工带来了很多不利情况,并且也是导致隧道塌方的原因之一.2006年1月,承德韩郭线二级公路工程,喇嘛梁隧道软硬岩石交汇地段由于地下水作用导致围岩风化程度不均,产生软弱结构面并造成了大面积塌方.基于现场的追踪调查与考察,本文详细描述了利用拱顶架设工字钢梁并配合超前注浆小导管的支护方法来处理这类围岩.     

渤海海峡跨海通道围岩条件探查与施工方法分析

渤海海峡跨海通道是连接中国山东半岛与辽东半岛重要的交通运输干线工程,该通道的建成对于推动环渤海地区经济的快速发展及振兴东北老工业基地具有重要意义。而通道区域的围岩条件及岩石的力学性质对于该工程施工方案的优选十分重要。通过区域地质调查、海域地层钻探和地层剖面实测以及岩石力学性质分析表明:通道区域内出露的地层从上到下依次为第四系、新近系与上元古界;其中第四系厚10~120 m,主要是一些松散的沉积物,没有隔水层,稳定性差;新近系不发育,仅在局部地区零星分布,主要由大孔隙的玄武岩构成,其抗压强度等岩石力学性质指标偏低,且低于正常值;而上元古界则由石英岩与石英岩互层的板岩和千枚岩构成,石英岩稳定、坚硬,抗压强度和抗剪强度大,板岩和千枚岩属于软质岩石,遇水易软化。因此,在已有的"全隧道"和"南桥北隧"两种方案基础上,建议渤海海峡跨海通道"北隧"段采用深埋隧道法,即该隧道不仅应穿越上部的第四系和新近系,还要穿越上元古界与石英岩互层的的板岩和千枚岩,而设置于石英岩中。根据通常采用的利用围岩确定隧道最小埋深的挪威法,建议北段隧道的最小埋深应在65 m左右。另外,由于石英岩比较坚硬,因此,渤海海峡跨海通道工程宜采用钻爆法和TBM法进行施工。      

张集线旧堡隧道工程地质条件和岩体结构特征研究

新建的张集铁路（张家口 集宁段）旧堡隧道是全线关键性控制工程,位于河北省万全县旧堡乡与尚义县土夭村之间,隧道穿越由晚太古代马市口组(Arm)麻粒岩和黑云母斜长片麻岩组成的一套高级变质岩建造,断裂构造极为发育,岩体破碎。原设计Ⅱ、Ⅲ级围岩洞段占隧道线路总长的71.8%,而已施工揭露的工程地质条件较差,全部变更为Ⅲ级加强及Ⅳ、Ⅴ级围岩,变更率高达80.3%。施工过程中多次发生挤压大变形、塌方、突涌水等施工地质灾害,共处理大塌方段8处小塌方21处计130m,处理大变形18段计550m。本文分析了DK30+520～910洞段地层岩性、地质构造、地应力、地下水等隧道围岩主要工程地质条件,从结构面和工程地质岩组的物理力学特性出发,研究了该洞段特殊的岩体结构,指出该隧道围岩岩体结构特征主要受与隧道轴线小角度相交的构造挤压破碎带及软硬交替产出的岩组控制,隧道围岩变形破坏受岩体结构控制作用明显,并总结了施工中可能遇到的几种岩体结构。该研究对类似工程地质条件地区隧道工程围岩分类、支护设计和施工有一定的借鉴意义。     

滇藏铁路香格里拉—邦达段地应力状态及工程效应分析

滇藏铁路香格里拉—邦达段沿线断层发育,构造运动强烈,为提高沿线工程的稳定性,基于构造形迹、震源机制解和实测数据的多元综合分析法,对研究区主应力方向进行了分析;基于Hoek-Brown强度准则和修正的Sheorey理论,结合实测数据,对研究区岩体强度参数和主应力量值进行了估算和预测,最后对研究区的地应力场特征及其工程效应进行了分析。结果表明:香格里拉-德钦应力区的水平最大主应力方向N0°W~N40°W;芒康-邦达应力区的水平最大主应力方向为N60°E~N80°E;铁路沿线埋深1000 m处,水平最大主应力范围为24.23~37.30 MPa;埋深2000 m处,水平最大主应力范围为47.29~66.69 MPa;香格里拉-德钦应力区隧道轴线设置为N80°W~N40°E有利于围岩稳定,芒康-邦达应力区隧道轴线走向设置为N10°E~N130°E有利于围岩稳定;铁路沿线高地应力显著,埋深超过400 m就可能处于高地应力状态,硬质岩埋深超过700 m会有岩爆风险,软质岩埋深超过1400 m会有大变形风险。     

差异风化型危岩力学模型及破坏机制研究

差异风化型危岩多形成于由砂岩和泥岩等软、硬岩性组成的互层陡倾岩质边坡中,其崩塌破坏属地质灾害中的常见形态。以普洱渡危岩高边坡为例,推导出差异风化型危岩岩腔后壁泥岩压应力随岩腔深度增加而增大的计算公式。据普洱渡危岩高边坡地形地貌和地质构造特征建立了两类4种差异风化型危岩力学模型：第1类为主控结构面贯通率等于1时的泥岩基座压裂破坏型和转动破坏型危岩;第2类为主控结构面贯通率小于1时的坠落型和倾倒型危岩。利用岩石强度理论推导出研究区砂岩的二次抛物线型摩尔强度包络方程,以极限平衡理论和摩尔强度理论推导了4种危岩体在自重、地震力和裂隙水压力共同作用下的崩塌破坏判别表达式,并由此反演出危岩体的临界崩塌边界方程,得出危岩体崩塌边界（岩腔深度、危岩体厚度和高度、主控裂隙深度）之间的关系,为现场预测和判别危岩体的稳定性和崩落时序提供简便可靠的依据。     

某工程蚀变岩孔隙特征及其软弱程度研究

孔隙作为岩体的初始损伤,对岩体的强度及变形特性的影响尤为明显,而孔隙发育是研究区内一类力学性质较软弱岩石的显著特征。对蚀变岩孔隙特征的研究是了解蚀变岩的软弱程度及孔隙度对其软弱程度的影响的有效方法。针对此蚀变岩进行岩矿及铸体薄片分析得出蚀变岩孔隙有原生、浅表生及构造3种成因,其中以原生为主。从饱水蚀变岩的常规单轴压缩试验应力-应变全过程曲线上求取蚀变岩的饱和单轴抗压强度及割线模量,再与相应试样的孔隙度进行相关性分析,结果显示出蚀变岩的饱和单轴抗压强度及割线模量均随孔隙度的增加而减小,且呈幂函数关系。由于蚀变岩的饱和单轴抗压强度(R c)及割线模量(E s)作为软硬岩评判标准具有一致性,且两者与孔隙度(n)存在较好的相关性,以此将3者共同作为蚀变岩软弱程度的划分标准,并得出软硬岩分界处n为12%、R c为30 M Pa、E s为5 GPa。     

木寨岭深埋隧道北段地应力测量与围岩稳定性分析

基于兰渝铁路木寨岭深埋隧道工程区活动断裂调查和3个钻孔水压致裂地应力测量,获得了木寨岭隧道工程区北段的现今地应力分布特征,结果表明,北段工程区最大水平主应力为38.38 MPa,属于高地应力区;三个主应力的关系为SHShSv,表明该区地壳浅表层现今构造活动以水平运动为主,主应力关系有利于逆断层的发育和活动;最大水平主应力优势方向为NE,反映穿越隧道北段的NWW向主要断裂带具有逆冲兼反时针扭动活动特征。根据地应力测量结果、相关理论及判据认为:隧道北段横截面形状以水平长轴、垂直短轴,且长短轴之比近似于隧道截面上侧压力系数的椭圆形为宜;隧道北段在埋深范围开挖时,硬岩具有岩爆发生的可能性,软岩具有发生严重挤压变形的背景。该成果为深入研究隧道区应力场特征,分析隧道围岩稳定性,科学设计隧道断面形状、结构和强度等工程地质问题提供了依据。     

深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机（TBM）开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明：TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现“变形不协调”现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度（FAI）指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明：开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM在复合地层施工可采取重点部位监测预警、提前采取相应措施等手段,减少或避免卡机事故的发生。该研究成果对于指导复合地层TBM施工具有一定的借鉴和指导意义。     

软岩浅埋隧道施工工法比选

目前在高速公路软岩浅埋隧道施工中均不同程度地出现了围岩坍塌、地表产生大面积沉降等问题。广福隧道某浅埋段,地质条件复杂,断面大、岩性差,受构造影响比较严重,而且顶板厚度比较薄,易发生坍塌、冒顶现象。为确保浅埋段隧道的施工安全,尽量减少隧道开挖引起的地层沉降和围岩变形,采用FLAC3D对4种施工工法全断面法、短台阶法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法进行模拟,分析了4种工法下地表沉降、隧道围岩周边位移和塑性区的变化特点,选出一种技术可行、经济合理的施工工法,得出一些有意义的结论。