不同岩层倾角深埋硬岩隧道围岩开挖变形研究

研究目的:深埋硬岩顺层构造由于其分层特性和结构形式的特点决定了在这样的地质环境中开挖隧道,其围岩受力之后的变形和破坏具有一定的特殊性。本文以拟建某高铁黄草隧道为例,就深埋隧道顺层硬岩组合围岩在不同岩层倾角下的开挖损伤变形开展数值模拟分析评价,主要研究不同岩层倾角下的隧道围岩变形、围岩屈服渐进性及稳定性,并给出强度折减至极限状态时硬岩组合隧道围岩的变形破坏模式。研究结论:(1)随着岩层倾角的增大,顺层硬岩组合隧道主变形从岩层弯曲变形逐渐向顺层滑移变形转变,倾角增大至一定程度时( 75°),垂直层面局部位移相对较大,在滑移变形为主的基础上弯曲变形程度加大;(2)硬岩组合的开挖引起洞室周边一定范围内的围岩发生屈服,岩层倾角变化导致围岩屈服区范围大小发生改变,倾角为30°时屈服范围最大,以此为界减小或增大倾角,屈服区均表现为不同程度的减小趋势;(3)岩层倾角存在界限值,硬岩组合黄草隧道为40°,小于或大于该值稳定安全系数均减小,10°～75°区间内稳定安全系数变化幅度最高达17%;(4)强度折减条件下,围岩破坏模式略有变化,表现为:倾角≤30°时,垂直于层面方向的位移量和破坏范围大,围岩以层裂(弯曲折断)破坏模式为主;当倾角 60°时,顺层面方向破裂范围大,但垂直层面破坏优先启动;(5)本研究成果对促进该高铁的顺利建设和今后类似工程的建设有着理论指导意义和工程价值。     

铁路双线隧道围岩爆破松动范围测试分析

在地处典型石灰岩地层的贵广铁路牛王盖双线隧道,选择IV级围岩地段的3个断面进行围岩爆破松动影响范围的测试。每个断面钻7个直径40 mm、深4.0～4.5 m的探孔,采用超声波方法测试并分析围岩爆破松动圈的大小、形状及主要影响因素。结果表明:围岩爆破松动圈内比松动圈外的围岩声波波速小10%～20%,松动圈内岩体的破碎程度与围岩声波的波速降低相关;采用控制爆破,总装药量在180 kg和最大一段装药量在28 kg时,Ⅳ级围岩爆破松动圈的范围一般为0.9～1.5 m,当围岩附近有溶洞或破碎带时,该处的围岩爆破松动范围将成倍增加,需要采用拱架支护,以防塌方。     

围岩松动圈测试方法探讨

本文在通过分析围岩松动圈测试方法的基础上，提出了一种围岩松动圈快速测试方法，即折射波速法，并导出了该方法的计算公式，并对松动圈与岩体完整性的关系作了探讨，利用该方法，可对围岩松动范围快速判定，实践表明，该方法不但快速，方便，而且可靠，同常规方法相比省时省力、不失为一种更新的围岩松动圈测试方法。     

利用围岩松动圈理论进行隧道支护参数评判

以围岩松动圈支护理论为指导,对围岩分类及选择合理的支护方式进行了探讨,并结合袍子岭隧道实例,利用围岩松动圈理论对其围岩支护体系进行评判。该理论不仅证实在现场可以得到广泛应用,而且还可为今后隧道施工支护参数提供可靠依据。但对于大松动圈或施工中遇到特殊情况,围岩松动圈支护理论还将有待于进一步研究。     

隧道开挖数值模拟的围岩边界取值范围研究

研究目的:隧道数值模拟的应用已相当广泛,在数值建模过程中,如何从实际问题中提取出合理的边界范围,平衡计算精度和占用内存之间关系,选取较佳的结合点,是数值建模中重要的部分。文章结合某隧道的工程实际,从数值模拟分析的角度,分两倍洞跨、三倍洞跨、五倍洞跨和八倍洞跨四种围岩边界范围进行了数值模拟。通过比较其第一主应力、位移和塑性区等结果,提出一般情况下隧道围岩模型的边界范围取值。研究结论:不同边界范围对隧道其周围的应力场和位移场的分布影响不大;一般情况下,取3倍洞距边界范围对隧道进行数值模拟和结构设计,其分析结果和结构设计方案较为安全。     

围岩松动圈理论在某大断面隧道中的应用

隧道开挖过程中,由于围岩受到扰动使得隧道周围形成了松动圈,松动圈的厚度对隧道的支护设计具有重要意义。基于Mohr-Coulomb(摩尔-库伦)强度准则,推导了隧道围岩松动圈半径的计算公式,并将其运用于大断面隧道工程实例中,分别计算了Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩松动圈在不同埋深下的半径及其厚度。结果表明,隧道围岩松动圈厚度不仅与围岩级别有关,而且与地应力、支护压力以及隧道断面形式也相关。     

软弱围岩隧道的开挖与衬砌

本文较系统地叙述了一座软岩随道的施工和取得成功的经验，如进洞前的地表预加固方法、洞身开挖的初期支护以及自制筒易模板台车的使用等。简明扼要地指出散装模板使用的关键，保证了永久衬砌奏达到内实外美的要求。最后总结出“短开挖，强支护，衬砌紧跟，步步为营”的施工原则。值得现场隧道施工人员重视和借鉴。     

测定围岩松动圈的折射波法探讨

提出了一种围岩松动圈快速测试方法,即折射波法,导出了该方法的计算公式,建立了松动圈范围与岩体完整性的相互关系,并在工程实践中经过了验证.     

层状围岩隧道变形控制技术探讨与实践

根据兰渝铁路薄层板岩隧道的工程实践,在分析层状围岩大变形机理的基础上,研究采用微台阶仰拱快速施工法、单工序作业仰拱快速封闭法等控制围岩变形。分析表明,减小围岩变形总量主要有降低变形速率和快速封闭仰拱以缩短变形时间两种途径。微台阶仰拱快速施工法,下台阶与仰拱同步推进,缩短了初期支护封闭成环时间进而减小围岩变形持续发展。单工序作业仰拱快速封闭法采用边墙长锚杆降低围岩变形速率,采用铣挖机减小爆破对周边围岩和初支段的扰动,围岩变形控制效果好。     

围岩快速分级和松动圈测试应用研究

吉图珲客运专线小盘岭1#~3#隧道施工,遇到碳化泥质板岩地层,由于其岩质软、节理发育、岩体破碎,围岩稳定性极差,多次发生塌方、换拱等问题。为保证隧道安全快速施工,现场采用非金属声波测试技术对围岩进行施工期快速分级和松动圈厚度确定,为隧道动态设计和信息化施工提供有力保障。(1)声波测试结果分析表明,该隧道碳化泥质板岩松动圈厚度范围在4.90~6.16 m之间;左拱腰、拱顶和右拱腰位置松动圈厚度均值分别为5.91 m、5.35 m和5.19 m。(2)围岩饱和单轴抗压强度为20.6 MPa,属于软质岩;松动圈内围岩波速平均值为1.29 km/s;松动圈外围岩波速平均值为2.06 km/s。综合判定小盘岭隧道弱~强风化碳化泥质板岩围岩等级为Ⅴ级,与现场调查结果基本一致。基于测试结果对隧道支护锚杆和注浆长度进行优化,工程实践表明优化后的锚杆支护和注浆加固效果明显。     

不同工法开挖超大断面隧道引起围岩变形机理分析

分析采用不同的施工方法开挖隧道引起地表变形、塑性区分布、地层分层沉降的特性和机理,提出围岩应力释放引起地表沉降是确定隧道施工工艺、工法的理论依据,该项技术在合武铁路客运专线隧道施工中得到初步应用,效果良好。     

改进的浅埋隧道松动围岩压力计算方法

对浅埋隧道,松动围岩压力经典理论的计算结果差异显著,且在某些假定上存在不足。本文克服了经典理论假定上的不足,建立了实用的松动压力公式。该公式计算的松动压力随埋深、黏聚力、内摩擦角等参数的变化均符合一般规律。该公式随埋深变化具有极大值,这一特征与岩柱理论、谢家烋公式类似。该公式可以用于内摩擦角φ≤45°的一般土质隧道,当φ≤10°时,该公式计算值与Terzaghi公式计算值差别微小。实测数据和对土柱的理论分析表明:松动压力的理论最大值为岩柱理论计算值。本文公式与Terzaghi公式计算值小于最大值,谢家烋公式计算值大于最大值。该公式对浅埋土质隧道和松散破碎的岩石隧道具有重要的参考价值。     

双层采空区隧道开挖围岩稳定性数值模拟

隧道下穿煤层采空区开挖不可避免地会对周围地层产生扰动,活化既有采空区,影响隧道及采空区周围地层的稳定性。由于双层采空区的特殊性,采空区与采空区之间也会产生一定的影响。利用FLAC3D软件,通过控制变量法建立双层采空区隧道模型进行计算,考虑采空区高度及采空区之间间距的影响,对隧道开挖过程中围岩形变及位移、围岩应力及围岩塑性区的开展情况进行分析。得出双层采空区存在时,当采空区之间间距大于20倍煤层采高时,双层采空区可按单层采空区进行处理。     

包西铁路施工期隧道水平层状围岩稳定性评价与支护

以包西(包头-西安)铁路水平岩层区施工期间隧道围岩稳定性分析评价为主线,以保护围岩的自稳和指导施工为目的,从围岩的工程地质条件入手,通过对施工过程中围岩的变形破坏模式分析和围岩的稳定影响因素分析,确立了包西线水平岩层地区隧道围岩定性评价的工程地质评价体系,对隧道围岩分类评价和合理支护措施提供依据.     

层状围岩隧道大变形等级判别及处理

研究目的:隧道大变形的处理俨然已成为一道世界性的难题,而其中层状围岩的大变形几乎占到90%以上,极大地困扰着隧道的建设者。针对层状围岩正交各向异性的特点,国内研究较少,采用以各向同性为理论基础的强度应力比理论判定层状围岩大变形等级有一定的局限性。本文结合在建铁路成兰线、成昆线的隧道大变形处理,剖析当下一些对层状围岩大变形认识的误区,从而提出适合层状围岩大变形判别的标准。研究结论:(1)采用强度应力比判定正交各向异性的层状围岩大变形等级,因局限性较大,仅适合一些薄层状的千枚岩、断层压碎岩等各向差异较小的围岩;(2)结合变形监控量测情况,并根据层状围岩软弱夹层的含量来判断大变形的等级,该方法简单、可靠;(3)层状围岩破坏时大致经历软弱夹层屈服破坏、变形→相邻临空侧岩层的破坏、变形→支护结构变形、开裂、侵限的过程;(4)层状围岩的变形和破坏主要是在层状围岩中软弱夹层的法线方向上,设计者应根据岩层的产状有针对性地进行差异设计;(5)本研究结论可适用于隧道工程中各类层状围岩下隧道大变形的等级判定及其处理。     

软弱相间水平层状岩体隧道围岩变形特征分析

为研究软弱相间水平层状岩体隧道围岩变形破坏机理并正确指导设计施工,采用现场隧道围岩松动圈测试并结合三维离散元数值模拟方法对不同工况下隧道塑性区分布、收敛位移进行比较分析验证。结果表明:隧道墙脚容易产生塑性变形,造成底部岩体支撑方式发生变化,由于岩体软弱相间且层间连接弱,在拱顶沉降与两侧围岩水平收敛产生的水平力作用下,导致底部岩体发生向上的变形破坏。针对其变形破坏机理,对其支护措施进行研究,发现对底部岩体进行锚杆加固,增大了层间岩体连接,减小了各向异性,提高了岩体的整体强度,有效降低隧道底部岩体向上变形程度,防止隧道底部隆起,保证施工和运营安全。     

水平层状围岩隧道稳定性及破坏机理研究

研究目的:水平层状砂质板岩隧道围岩施工稳定性是一个难点,为研究水平层状砂质板岩围岩隧道在不同影响因素下的安全稳定性,本文以同马山隧道工程为依托,对水平层状砂质板岩隧道的稳定性及破坏机理进行研究。研究结论:(1)随着岩层厚度减小,洞室爆破开挖后成形困难程度增加,拱顶塌落范围增大,边墙、拱顶等位置破碎程度增加;(2)随着岩体坚硬程度及层理面结合程度降低,洞室由边墙部位发生轻微破坏到整体发生较大变形,成形困难,其中层理面对隧道洞室成形影响的最大段落是破碎带和裂隙带;(3)洞室失稳破坏是围岩压力与爆破动载共同作用的结果,拱顶与边墙处最易发生破坏,拱顶处破坏程度最大,边墙次之,拱腰处最小;(4)本研究成果可为水平层状围岩隧道的建设提供参考。     

水平层状围岩隧道锚喷支护参数优化试验研究

基于水平层状围岩结构特征,提出层状围岩中隧道开挖支护优化工况,进行桐木湾隧道锚喷支护参数优化对比现场试验和数值模拟分析,根据现场测试和数值模拟结果,分析了锚喷支护参数优化前后的锚杆受力和围岩变形特征。研究结果表明,水平层状围岩隧道锚喷支护参数优化工况可行,可为类似条件下隧道支护的设计与施工参考。     

节理倾角对层状岩体大断面隧道稳定性研究

以山西大梁山隧道工程为研究对象,研究不同节理倾角隧道围岩稳定性以及锚杆力学响应,阐明其不同于传统松散介质理论的层状岩质隧道失稳模式。主要得出如下结论:①节理面是隧道失稳破坏关键所在;②倾角较小时,拱顶容易发生弯折破坏;③锚杆串连数层层状岩体,增大层间摩阻力,增强节理剪切刚度;④宜将锚杆与节理面呈大角度打设,以便发挥"销钉"和"组合梁"效果。