富水软岩隧道突泥塌方及地层沉降的模型试验

在富水软岩地层中修建隧道容易出现突泥塌方,对施工及周边环境产生严重影响。北岗隧道围岩强度低且地下水丰富,在施工中多次遇到突泥涌水现象,出现了围岩大面积坍塌、地表开裂、地下水位下降等严重灾害问题。以北岗隧道为原型,开展了室内模型试验,再现了该隧道的破坏现象,研究了隧道突泥塌方的影响因素、破坏规律及影响范围。结果表明:（1）地表未出现裂缝时,隧道开挖导致的地表和地层内部变形可以采用Peck的正态分布曲线描述;（2）涌水是造成隧道围岩发生严重坍塌的根本原因;（3）隧道破坏从拱顶开始,呈拱形破坏型式;（4）地表的两条主裂缝在隧道塌方初期形成,塌方对地表沉降和裂缝的主要影响区域位于两条主裂缝之间。     

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。     

基于收敛–约束原理的大变形隧道初支更换时机优化研究

山岭隧道的建设无法完全避免大变形灾害,侵限后大变形初支更换时机不当不仅会延误工期,而且有可能导致隧道塌方等事故造成二次危害。以云南安企村1号隧道塌方事件为背景,基于收敛–约束原理,分析隧道发生大变形并施加临时钢支撑后围岩与支护相互作用的应力变化,得到围岩在初支及临时钢支撑作用下的应力–变形关系。利用离散元软件3DEC,分析了不同处治时机对大变形隧道围岩应力及岩块与节理破坏情况的影响。在模型隧道拱顶沉降达到最终位移(当拱顶沉降速率小于等于0.2 mm/d)的70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%时进行变形初支更换,对重新平衡时隧道周围应力分布、岩块破坏量和节理破坏面积进行了统计。结果表明,拱顶沉降达到最终位移的90%时围岩应力与100%时基本相同;90%时换拱后重新达到稳定时节理破坏面积比在100%时换拱小,围岩应力与岩块破坏量与100%时基本相同,因此隧道大变形处治可以在围岩达到最终位移值前的一定范围时进行。研究结果不仅可以提高大变形处治过程的安全性,而且可以大大减少处治时间,具有重要的研究及施工参考价值。     

穿越富水断层破碎带隧道塌方机理分析与预防

穿越山岭隧道常遇到断层破碎带。由于缺乏断层复杂岩体稳定性机理的研究与理解,隧道施工曾导致多起大变形甚至塌方事故。本文使用理论分析、离散元数值模拟方法,结合现场监测结果,对江西某高速铁路隧道过断层施工案例进行综合分析。在考虑断层破碎带地下水影响的前提下,开展富水断层破碎带施工过程中围岩失稳塌方的内在机理研究。研究得出：隧道穿越富水断层破碎带时,岩体结构面发育,且结构面间多充填碎屑或黏土充填物。随着施工扰动引发结构面发生错动,流动的地下水进一步对结构面形成冲刷,从而降低围岩的完整性与力学强度。断层破碎带抗剪强度越低,围岩松动范围越大,塌方概率与范围越大。根据“防水排水,强化围岩”的思路,本文提出了穿越断层破碎带防塌方的措施：设置迂回导坑、地层预加固、增加支护强度、优化施工工法及加强监控量测,可为此类隧道工程的安全施工提供参考。     

考虑软岩强度时效弱化的缓冲层让压支护设计研究

深埋隧道软弱岩体往往具有明显的流变特性和时效弱化效应,隧道开挖后围岩参数随时间的增加逐渐降低,导致围岩流变变形增大,容易造成隧道初期支护和二次衬砌开裂,严重影响隧道施工期及运营期安全。为保证隧道安全,在二次衬砌与围岩之间设置能够吸收围岩流变变形的缓冲层,缓冲层材料具有理想弹塑性特性,其特殊的力学特性使其能够实现与围岩的变形协调,吸收围岩长期变形能,实现软弱隧道围岩的长期稳定。近年来缓冲层让压支护设计逐渐得到众多学者和工程建设单位的认可,但缓冲层让压支护并没有得到广泛应用,原因是让压支护的让压量与让压力的设计一直是工程建设中的难点。基于弹塑性理论,考虑围岩参数的时效弱化和缓冲层支护抗力,提出软岩隧道工程缓冲层让压支护参数的设计方法,并通过V级软岩隧道的支护设计,验证所提缓冲层支护方案的合理性。     

考虑软岩强度时效弱化的缓冲层让压支护设计研究

深埋隧道软弱岩体往往具有明显的流变特性和时效弱化效应,隧道开挖后围岩参数随时间的增加逐渐降低,导致围岩流变变形增大,容易造成隧道初期支护和二次衬砌开裂,严重影响隧道施工期及运营期安全。为保证隧道安全,在二次衬砌与围岩之间设置能够吸收围岩流变变形的缓冲层,缓冲层材料具有理想弹塑性特性,其特殊的力学特性使其能够实现与围岩的变形协调,吸收围岩长期变形能,实现软弱隧道围岩的长期稳定。近年来缓冲层让压支护设计逐渐得到众多学者和工程建设单位的认可,但缓冲层让压支护并没有得到广泛应用,原因是让压支护的让压量与让压力的设计一直是工程建设中的难点。基于弹塑性理论,考虑围岩参数的时效弱化和缓冲层支护抗力,提出软岩隧道工程缓冲层让压支护参数的设计方法,并通过V级软岩隧道的支护设计,验证所提缓冲层支护方案的合理性。     

全强风化花岗岩富水地层隧道施工技术

小天都隧道洞身段左线340 m、右线290 m范围内为全强风化花岗岩富水地层,开挖变形大。为在富水地层全强风化花岗岩中控制围岩变形,达到快速安全施工,以小天都隧道为研究对象,采用理论和现场监测等手段对全强风化花岗岩富水地层中的施工技术进行探究。研究结果表明,采用三台阶预留核心土环形开挖并施作超前支护能够有效控制围岩变形、减小隧道拱顶下沉;全强风化花岗岩遇水会显著降低自身强度,采用洞内引排水及洞外井点降水措施可有效降低围岩含水率,进而有效降低其遇水崩塌的危险性,保证施工安全与进度。所得结果可为大断面隧道在类似地质条件下的施工提供参考。     

隧道塌方段施工方案优化及效果评价

对于隧道塌方地段,选取合适的施工方案是关键问题。结合乌竹岭隧道塌方工程实际条件,采用非线性有限元方法对两种施工方案进行模拟分析。计算结果表明,双侧壁导坑施工方案相对于上弧形导坑施工方案,能够更好地控制围岩位移、改善其受力状况、减小初期支护受力,且围岩破坏区范围较小,可见双侧壁导坑施工方案更适合于隧道塌方段的施工。通过现场监控量测分析,隧道断面净空收敛变形和拱顶下沉稳定速度较快,最终变形值较小,隧道主体稳固,没有任何变形,说明所选处治方案对抑制隧道塌方段效果良好     

隧道围岩挤压变形问题探究

隧道围岩大变形是目前公路、铁路隧道建设中遇到的重要科学问题。工程实践中,隧道围岩大变形主要是由于围岩遭受剪切破坏而产生了流变而导致的,部分隧道的围岩大变形是由于围岩成分中的亲水矿物遇水发生水化学反应而发生体积膨胀产生的,故隧道围岩大变形可以分为应力型、材料性和结构型3类。通过全面分析前人的研究成果,可以将隧道围岩相对变形3%作为划分隧道内是否发生大变形的定量评价指标。而对于应力型围岩大变形,Hoek提出的隧道围岩径向变形和掌子面变形预测公式较好地预测了施工现场的围岩变形量,其现实意义较为明显,但需要针对不同的工程条件调整原地应力的估算公式或者考虑围岩二次应力场的赋存状态。对于材料型和结构型围岩大变形的变形量预测,目前仍然是一块研究的空白区,需要进一步开展相关工作。     

乌鞘岭特长隧道复杂地质条件下断层带应力及变形现场监测分析

乌鞘岭隧道是我国迄今为止已建成最长的单线铁路隧道,隧道总长约为20.05 km,而F7断层是乌鞘岭隧道中最长、地质条件最为复杂的活动断层,对隧道施工十分不利。根据F7断层特点及施工中遇到的问题,在乌鞘岭隧道岭脊地段F7断层区段,对洞室开挖后的围岩及支护衬砌结构进行各项应力监测和收敛变形监测,分析了围岩、衬砌系统受力及变形变化趋势,从而探究围岩挤压大变形的机制,掌握围岩应力释放与围岩压力的作用规律;并根据现场监测结果,提出对隧道穿越F7断层区段的断面采用动态优化设计方案及改进的施工措施,避免隧道出现大变形,从而保证隧道穿越F7断层区段安全、快速的进行。     

泡沫混凝土预留变形层对深埋软岩隧道长期稳定性影响研究

泡沫混凝土的单轴和三轴试验研究表明,泡沫混凝土具有较高压缩性和良好延性,可以作为深埋软岩隧道初期支护与二次衬砌之间预留变形层填充材料,分析了其对宜巴高速公路深埋软岩隧道长期稳定性的影响。研究表明,深埋软岩软岩隧道在二次衬砌施工之后依然会产生较大的蠕变变形,单纯依靠提高二次衬砌的厚度,并不能完全控制住围岩的蠕变变形,而且衬砌结构很容易由于变形压力过大而发生破坏。泡沫混凝土预留变形层,可以很好地吸收围岩蠕变变形,缓解二次衬砌承担的蠕变变形压力,减小衬砌的变形,改善其受力,采用厚度较小的二次衬砌即满足隧道长期运营的要求。     

岩石隧道围岩变形时空效应分析

岩石隧道围岩变形具有时空效应特征。根据围岩变形速率,岩石隧道围岩变形一般可划分为3个阶段,即急剧变形阶段、稳定变形阶段和流变阶段。通过总结分析围岩变形3阶段的特点,结合中梁山隧道D-5H量测剖面的实测数据,对围岩变形的空间效应和时间效应进行了分析。空间效应集中发生在急剧变形段,空间效应段主要靠围岩自身以及初次支护克服围岩发生破坏变形,时间效应则主要体现在流变段。以华蓥山隧道等76个隧道实例为统计样本,分别对围岩变形时空效应与围岩类别和塌方事故的关系进行了相关性分析。结果表明:80％以上的塌方发生于急剧变形段,13％发生在稳定变形段,只有7％左右的塌方发生在流变段。其中Ⅳ类和Ⅴ类围岩在3个阶段都可能发生塌方,Ⅲ类围岩则很少在流变段发生塌方。Ⅰ类和Ⅱ类围岩则基本不会发生较大规模的塌方。对深入了解隧道围岩的变形规律,为隧道灾害防治、选择恰当的支护时机和支护方式很有意义。     

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。     

均质岩体中隧道围岩破坏过程的试验与数值模拟

采用模型试验与离散元模拟的方法,对均质岩体中隧道开挖后围岩的变形破坏过程进行了研究,并对围岩变形破坏过程中围岩应力及地表位移的变化规律进行了分析,模型试验结果与数值模拟结果取得了较好的一致性。研究结果表明：隧道开挖后,拱顶处围岩变形明显并出现裂缝,围岩破坏从拱顶开始,进而呈渐进式向上发展,最终形成稳定的塌落拱;开挖后,隧道围岩径向应力减小,隧道周边一定范围内围岩切向应力减小,且随隧道变形破坏的发展,围岩切向应力减小的区域逐渐扩大;隧道塌方后,拱底垂直应力增加,开挖结束至塌方开始期间地表位移增量最大,塌方期间地表位移增量最小。     

地下工程远程在线遥测技术及在大狮子隧道的应用

近年来,国内山岭隧道塌方事故频发,造成了惨重的人员伤亡和巨大的设备损失,如何通过现场监测实时掌控围岩稳定性并进行安全预警已成为当前山岭隧道修建的关键难题之一。依托围岩塌方风险较高的大狮子隧道(宁波地区最长的公路隧道),阐明了隧道内围岩远程在线遥测技术的信号采集、传输与后台处理原理,基于现场监测组网的总线理论(FCS)和分组无线传输技术(GPRS),提出了一种新型隧道远程在线遥测系统构架方式。该系统构架采用洞内有线+无线的组网方案,包括监测数据的采集传输、管理分析、远程接收子系统3个部分。运用该系统对大狮子隧道围岩变形、锚杆应力、围岩与钢拱架之间喷层压应力开展了全天候实时高频监测,并采用服务器+客户端模式,实现了采集数据远程同步高速传输与多单位实时监控。通过分析高频采集数据后获得的监测量时程曲线(变形、应力、压力),发现大狮子隧道的围岩变形在整体变化趋势上呈现出一种台阶式的波动增长变化规律,受爆破开挖影响后变形值产生突变;同时围岩变形与喷层压力值受后续隧道开挖扰动的波动影响较大,但总体变化趋势上基本经历了前期快速变化-中期缓慢变化-后期逐步稳定3个阶段。通过对隧道近一年的远程在线监测表明,其技术可完全实现地下工程围岩稳定性的远程遥测和无人值守预警,具有良好的应用前景。     

高速铁路隧道塌方原因分析与施工处治技术

结合某高速铁路隧道DgK88+520～522段施工出现掌子面附近拱顶塌方的工程背景,从现场地质条件与设计支护参数等方面分析了塌方原因,并采用数值模拟对比分析了勘查设计与围岩变更后的开挖支护措施引起的围岩变形。结果表明,根据原勘查设计Ⅲa级围岩确定的开挖方法与支护参数不能有效保证实际围岩条件下的隧道稳定性,而采用围岩变更为Ⅴb级围岩、三台阶七步法开挖、Ⅴb级围岩复合式衬砌支护的设计,拱顶沉降则可大幅度降低。介绍了塌方处治措施和拱顶沉降监测结果。由于围岩表现为脆性,在塌方后拱顶沉降较小,为确保工程安全,应根据地质勘查与超前地质预报等辅助措施,更为准确地掌握隧道围岩地质赋存条件,确定合理的开挖方法与支护参数。     

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。     

反倾层状岩质边坡内开挖隧道引发边坡失稳与隧道塌方的机制和治理研究

在反倾层状边坡内,开挖边坡并修筑隧道洞口后,出现岩体从隧道掌子面整体挤出和洞顶塌方现象,并导致边坡出现后缘拉裂、坡体内出现多处裂缝和岩块崩塌等坡体失稳迹象。通过对该边坡失稳和隧道塌方的勘察和机制分析,确定该坡体的变形破坏模式,提出针对性治理方案。     

考虑非饱和渗流与增湿膨胀下的膨胀土隧道稳定性分析

降雨入渗条件下,膨胀土的非饱和渗流与膨胀效应会降低隧道稳定性,研究两者对围岩变形与结构受力的影响非常必要。基于有限差分软件FLAC~(3D),根据其内置的渗流与温度场模块分别模拟降雨条件下的非饱和渗流过程与膨胀土增湿膨胀过程。通过编制相关FISH语言程序,考虑了膨胀土隧道非饱和渗流过程中基质吸力变化、土体软化和膨胀效应的影响。以某浅埋膨胀土隧道为工程背景,分析了降雨入渗时间、渗透与膨胀系数对膨胀土隧道围岩变形及支护结构受力的影响。结果表明:膨胀土隧道在降雨入渗过程中,围岩水平应力增大明显,而垂直应力变化不大;支护结构逐渐由竖向挤压变形转变为水平挤压变形;土体渗透和膨胀系数对支护结构受力影响很大,当渗透和膨胀系数增加到一定值后,衬砌弯矩显著增大,隧道安全性和稳定性大幅降低。     

新建川藏铁路某长大深埋隧道工程主要地质问题分析

新建川藏铁路某长大深埋隧道,工程地质条件复杂,围岩分级,岩爆,大变形,涌突水,瓦斯,地温等主要工程地质问题对铁路选线及施工潜在影响极大。通过对某隧道隧址区地形地貌、地层岩性、地质构造等进行调查,简要分析了该深埋隧道工程主要地质问题围岩失稳、大变形、岩爆、涌突水、可溶岩、瓦斯及有害气体等(杨小军,2017)。针对该工程地质问题进行了简要分析评价。