高地应力“强度 & 应力”耦合判据及其分级标准

众多地下工程建设始终处于高地应力环境中,岩体初始应力是地下工程围岩变形破坏的先天条件和主导因素。“高地应力”术语及概念出现和地下工程围岩特殊破坏现象紧密联系,属于工程概念范畴。随着地下工程数量越来越多并逐渐向深部发展,高地应力诱发的围岩破坏现象日益显著,严重影响工程稳定性。现有的高地应力定量分级判据多采用强度应力比值形式,没有充分考虑岩石强度、应力两个指标的绝对值大小和耦合关系。本文在讨论现有分级判据、收集实际工程案例数据以及分析高地应力破坏现象显现过程的基础上,提出了高地应力“强度& 应力”耦合判据及其定量分级标准。高地应力“强度& 应力”耦合判据的表现形式为3条考虑岩石饱和单轴抗压强度R_c以及和初始最大主应力σ₁耦合的边界线,边界线以内的区域为高地应力区、边界线以外的区域为低地应力区。该判据特点是既考虑初始最大主应力、岩石饱和单轴抗压强度的绝对值边界条件,同时也考虑两者耦合区间。研究结果表明:基于二维尺度提出的“强度& 应力”耦合判据,针对86个典型地下工程的高地应力判别结果和工程现场高地应力显现形式完全相符,可以在实际地下工程中推广应用。基于“强度& 应力”耦合判据的高地应力区分级标准能较好地判别围岩破坏现象的剧烈程度,可为工程灾害的预防提供参考。     

莲花隧道软弱围岩大变形预测方法适用性评价研究

评估地质条件以及开挖风险是地下空间设计和施工中的重要阶段之一。在选择合适的开挖方法和支护系统时,识别和估计岩体的变形潜在趋势非常重要。在本研究中,对萍莲高速莲花隧道中的岩体变形潜在趋势进行了研究。首先介绍了莲花隧道的工程地质环境、隧道围岩工程特性、岩体质量评价以及现场实测的隧道变形情况,然后运用经验法和半经验-半理论法预测莲花隧道变形趋势,并将预测结果与实际变形监测情况进行对比。结果表明,莲花隧道的大变形主要受松散破碎、遇水膨胀的软弱围岩和丰富的地下与地表水以及断层破碎带与构造活动的影响。对于莲花隧道而言,现行大变形预测方法普遍存在一定问题:经验法主要依据岩体质量分级结果进行变形趋势预测,具有一定的主观性,其预测结果与实际变形情况存在一定偏差;半经验-半理论方法中运用围岩强度与应力关系进行预测效果较好,但基于围岩强度应力比的Jethwa法、Hoek法与ISRM法预测结果偏保守,且针对无变形段的预测效果较差。综上所述,在工程勘察与设计阶段,应客观、细致地进行围岩质量分级、地应力量测、地下水与地质构造勘探等工作,结合经验法、半经验-半理论方法对大变形趋势和变形量值进行预测,综合研判隧洞沿线变形趋势,为大变形支护结构设计、施工措施提供充分可靠的依据。     

基于贝叶斯网络的隧道勘察设计期大变形灾害概率分级预测与应用研究

我国西南山区的铁路和公路隧道在遭遇高地应力、软岩和断层破碎带等不良地质条件时常发生挤压大变形灾害,带来巨大的经济损失.从隧道工程勘察设计期的实际需求出发,考虑该阶段预测指标的易获取性,以隧道埋深、围岩级别、等效洞径和岩石强度作为预测指标;搜集建立了以我国西南地区隧道工程为主的包含151组大变形案例的数据库.采用贝叶斯网络模型建立了不完整数据条件下隧道挤压大变形灾害概率分级预测模型,通过十折交叉验证确定模型准确率为76.52%.基于该模型研发了一款大变形分级预测软件平台,并在九绵高速公路白马隧道开展应用,预测准确率达71.11%.本研究成果可为我国西南地区类似地质环境条件下隧道勘察设计期大变形灾害预测提供技术支撑.     

大埋深高地应力关山隧道围岩变形破坏分析

甘肃省关山隧道是一条受高地应力影响的大埋深硬脆性闪长岩铁路隧道,位于青藏高原东北缘,构造活跃,运动速率较大,且方向变化显著的六盘山挤压隆升构造区。在隧道开挖过程中围岩变形破坏现象明显,围岩等级低于前期岩体质量分级,表现出强烈的岩体质量劣化和各向异性。针对该问题,除了采用矿物成分和微结构分析寻找原因,还通过现场结构面统计分析对围岩质量劣化和各向异性进行描述,同时运用自行研发的钻孔电视进一步分析开挖前后一定时间间隔内围岩的渐进式变形和破坏。钻孔电视试验结果表明,尽管闪长岩作为一种硬脆性岩体,单轴抗压强度（UCS）高于现场地应力值,但其变形和破坏却普遍发生,开挖过程中新生裂隙迅速发育,原先在高地应力下闭合的裂隙也会重新张开和发展,围岩劣化,稳定性降低。为了进一步分析围岩的变形破坏过程,设计了变压力大小和方向的单轴抗压试验,试验中闪长岩的单轴压力值低于单轴抗压强度,试验结果与钻孔电视试验观测结果吻合,证明了在开挖引起的地应力剧烈变化条件下硬脆性闪长岩结构劣化,存在变形破坏的可能性。在大埋深高地应力条件下,除了岩体的各向异性,地应力的变化也是硬脆性围岩稳定性的重要考量因素。     

隧道层状岩体质量评价的BQ分级改进

国标BQ分级方法是一种多因素、多变量、定性与定量结合的分级方法,该方法选取岩石饱和单轴抗压强度和岩体完整性指数计算出岩体基本指标,再考虑到工程岩体现场工况对其修正,既保证了分级的客观性,又降低了现场分级的难度。但在一些复杂地质条件下,如层状岩体等,BQ分级存在修正系数定性评价的局限性。由于现场工程人员的主观判断不同,导致两种岩体分级交界处往往会出现分级交错的现象。基于室内力学试验,本文阐述了层理倾角与围压对层状岩体力学参数的影响规律。采用Jaeger-Donath与Mogi-Coulomb强度准则提出针对层状岩体的结构面产状修正系数K₂以及初始地应力状态修正系数K₃的计算公式,并通过木寨岭铁路隧道围岩分级计算进行了验证。     

TBM隧道施工期岩爆预测方法探讨

针对隧道掘进机(tunnel borring machine,TBM)施工阶段岩爆倾向性指标存在的不足,综合考虑围岩应力状态、岩体完整性、岩石强度、施工扰动等岩爆关键影响因素,提出了一种适用于隧道施工阶段的新型岩爆及时预测方法。首先,细致地分析了岩石强度?_c _i、脆性系数?_(ci)/?_t、地质强度指标GSI、开挖扰动系数D和最大地应力?_(max)等施工阶段参数特点,引入Hoek-Brown强度准则估算工程岩体强度,基于工程岩体强度应力比思想,提出新型岩爆预测指标表达式,并给出岩爆的分级界限值。工程实例进一步验证新方法的合理性。文中方法为施工期岩爆预测问题的研究提供了一种新的和切实可行的思路。     

基于Hoek-Brown强度准则的应变软化模型在隧道工程中的应用

基于Hoek-Brown强度准则及量化GSI围岩评级系统,分析岩体强度弱化行为,总结出确定岩体峰值及峰后强度参数的方法,提出应变软化模型的简化计算方法,并以FLAC3D数值模拟软件为工具,采用收敛-约束法对深埋大断面隧道支护结构及围岩稳定性进行分析,计算出支护结构安全系数。通过分析得出：随着围岩应力释放,岩体软化参数随之减小,岩体强度弱化行为突出;高地质强度GSI指标（GSI=75）的岩体虽然强度弱化程度较大,但围岩的变形量仍然较小,而低GSI指标（GSI=25）的岩体表现出了理想弹塑性行为;提出的简化Hoek-Brown应变软化模型适合应用于隧道中岩质相近区段围岩的研究;采用收敛-约束法对隧道支护结构的稳定性进行分析,可为隧道工程的初期支护优化设计及安全性评价提供参考。     

近距平行构造环境中片岩公路隧道大变形机理及判别

近距平行地质构造环境中的得荣一号隧道开挖掘进至深埋段以来曾多次出现大变形问题，严重影响施工安全并制约工程建设工期。为采取有效防治措施以控制隧道围岩大变形，根据大变形洞段监控量测数据、围岩变形特征及初期支护变形破坏特征，对隧道围岩大变形的受控因素、变形破坏机制进行综合分析。研究结果表明：隧道围岩大变形是在软弱围岩、破碎岩体结构、高地应力、地下水及严重偏压等因素的相互耦合作用下，受工程因素的促发影响，主要由软岩塑性流动变形、塑性剪切滑移变形、陡倾层状弯曲变形和累进性松脱扩展变形机制复合而致。在此基础上，根据现行交通行业规范结合隧道大变形洞段变形特征，总结公路双车道隧道施工现场围岩大变形分级判定综合指标方案，为指导隧道施工设计提供合理、可靠的依据。     

高地应力条件下大型地下厂房松动区变化规律及参数反演

松动区是控制地下洞室围岩变形及失稳的重要因素。以锦屏一级水电站为例,结合声波测试及多点位移计监测成果,对高地应力和低强度应力比条件下大型地下厂房围岩松动区的分布及变化特征进行分析,并采用BP网络和遗传算法对围岩参数进行反演。研究表明,声波测试的围岩松弛深度与多点位移计监测得到的围岩主要变形深度具有一致性,围岩松弛深度变化趋势与岩壁位移变化也存在对应关系,两者结合可以对围岩松动区的变化规律进行连续的分析。高地应力和低强度应力比条件下的松动区深度远大于一般应力条件,由于围岩应力状态调整、岩体破坏所导致的卸荷松弛成为围岩松弛的主要因素。开挖过程中,由于围岩应力状态的逐步调整,导致围岩的破坏和松弛的渐进发展,其中松弛深度在水平向的扩展较为明显。反演得到的松动区岩体变形模量及黏聚力较未松动岩体有明显降低,而摩擦角降低较少。因此,对松动区岩体进行灌浆加固,将有助于提高松动区岩体的变形模量和粘聚力,从而增强围岩的稳定性。     

隧道岩体质量智能动态分级KNN方法

施工期隧道岩体质量动态分级,是评价隧道工作面围岩质量最直接的方法,也是预防隧道施工地质灾害,决定施工开挖工法与支护措施的重要依据。由于传统的Q值法和国标BQ岩体质量分级评价方法需要进行现场和室内试验及分析,岩体质量评价时间滞后,常常降低施工效率,或错过预防突发性施工地质灾害的窗口时间,快速准确地对隧道工作面进行岩体质量分级,成为施工期公路隧道岩体质量动态分级需要解决的重要问题。人工智能算法为解决隧道岩体质量实时快速准确评价提供了方法和手段。以北京冬奥会延庆—崇礼高速公路为例,提出了工作面采用隧道掌子面图片人工智能岩体结构参数辨识,建立7个指标参数体系,采用KNN智能算法对隧道岩体质量进行评价,选取8条隧道40个工作面150个样本进行训练学习,另外选取50个样本进行岩体质量评价校验,与BQ岩体质量评价结果相比,准确率达到了90%,得出如下结论:(1)公路隧道岩体质量智能动态分级KNN方法—一种利用人工智能技术快速高效进行岩体质量动态分级的方法,能够在现场实时获得岩体质量评价结果;(2)KNN分级方法中选用了7个判定指标,综合考虑了隧道围岩体的赋存环境、岩体构造、地质结构等特性,并体现了这些指标在实际工程评判中的可操作性和适用性;(3)KNN分级方法误判率很低,在判别分类中排除了评分时人为因素的干扰,具有较强的判别能力,为TBM围岩实时分级做方法储备。     

The squeezing potential of rocks around tunnels; Theory and prediction

Summary The deformational behaviour of tunnels, which underwent large deformations, socalled squeezing, have been recently receiving great attention in the field of rock mechanics and tunnelling. Contrary to rockbursting phenomenon in which the deformation of the medium takes place instantaneously, the deformation of the surrounding rock in squeezing phenomenon takes place slowly and gradually when the resulting stress state following the excavation exceeds the strength of the surrounding medium. Although there are some proposals for the definition of squeezing rocks and prediction of their squeezing potential and deformations of tunnels in literature, it is difficult to say that they are concise and appropriate.In the first half of this paper, the squeezing phenomenon of rock about tunnels and its mechanism and associated factors are clarified by studying carefully observed failures in-situ and laboratory model tests. Then, an extensive survey of tunnels in squeezing rocks in Japan is presented and the results of this survey are summarised. In the second half of the paper, a new method is proposed to predict the squeezing potential and deformations of tunnels in squeezing rock. Then, the method is applied to actual tunnelling projects, where squeezing problems have been encountered, to check its validity and applicability. As a concrete example, an application of the method to predict the squeezing potential and deformations of the rock along a 300 m long section of an actual tunnel was made.     

隧道挤压型变形与支护特性研究

针对挤压型大变形问题,通过木寨岭隧道科研试验与相关资料分析,得出挤压型大变形具有变形量大、持续时间长的特点,一般两侧为变形优势部位。测试数据表明,刚性支护中围岩压力、拱架应力、锚杆轴力值均较大,其中拱架应力值可能超过材料屈服强度,边墙锚杆较拱部锚杆作用明显,围岩压力与变形增量呈反比关系;在挤压型变形隧道中允许有控制性地释放围岩变形,能够减小支护结构上的围岩压力,有利于隧道结构的长期稳定。文中阐述了可让式支护原理,对可让式支护结构预留变形量进行初步预测,数值计算表明,采用刚性支护将位移控制在较小的范围内需要足够大的刚度,而可让式支护具有能够允许围岩一定程度的变形同时减小支护结构受力的优势,可在铁路隧道中推广使用。     

The squeezing potential of rock around tunnels: Theory and prediction with examples taken from Japan

Summary Large deformations of surrounding media around tunnels are often encountered during excavations in rocks with squeezing characteristics. These deformations may sometimes continue for a long period of time. Predictions of deformations of tunnels in such grounds are urgently needed, not because of stability concerns, but also of their sevicability. In the present study, the squeezing phenomenon of rock around tunnels and its mechanism and associated factors are first clarified by carefully studying failures of tunnels, and a survey of tunnels in squeezing rocks in Japan is presented and its results are summarised. Then, a practical method is proposed to predic the squeezing potential and deformation of tunnels in squeezing rock and this method has beeen applied to actual tunnelling projects, where squeezing problems were encountered, to check its applicability and validity. Finally, an extension of this method to the time-dependent behaviour of squeezing rocks is given and an application of this method to an actual tunnel is presented.     

高地应力条件下层状地层隧道围岩挤压变形与支护受力特征

西部地区普遍出露层片状岩体。由于强度低、自稳能力差、结构强度呈现各向异性等特点,在隧道开挖过程中常引起围岩大变形,导致初期支护结构强烈变形失稳而不得不频繁进行拆换。部分洞段二次衬砌混凝土甚至发生劈裂、掉块的破坏现象,严重影响隧道施工的进度与安全。以兰渝铁路两水隧道为工程背景,采用现场实时监测、数值模拟等手段,获取大断面隧道围岩与支护系统之间的接触压力,揭示开挖断面不同位置接触压力随时间发展规律和空间分布特征。研究结果显示,受围岩结构强度的各向异性控制,隧道开挖后支护受力极不均匀。空间上与围岩变形集中部位一致,时间上变化历时长,且由于开挖方式的影响不易稳定。初期支护钢拱架局部荷载过大而发生侧向扭曲失稳,且监测的失稳发生时间与收敛形变稳定时间相比而明显滞后。根据层状围岩的支护受力特征,提出针对此类岩体更为合理的隧道设计建议。     

深埋长隧道TBM施工关键问题探讨

针对深埋长隧道开挖所面临的高水压、高地压、高地温、大变形、难支护等问题,分析总结传统钻爆法开挖与支护技术、全断面隧道掘进机（TBM）施工技术、TBM导洞扩挖技术应用中的优劣,TBM导洞扩挖法为深埋长隧道开挖提供了新的设计思路。由于深埋长隧道的建设环境与浅埋隧道建设环境存在显著差异,TBM施工将面临3个关键问题--岩爆问题、卡盾（大变形）问题和未准确探测前方地质而发生的施工事故（涌水、突泥等）。为揭示TBM施工过程中卡盾的存在性,分别针对某一特定地质条件下深埋软、硬岩TBM施工进行理论分析和数值模拟研究。结果表明,软岩地层TBM施工发生卡盾,而硬岩完整地层TBM施工未发生卡盾。     

我国软岩大变形灾害控制技术与方法研究进展

我国软岩工程涉及能源开采、水利、交通、国防等重要工程领域。随着我国能源开采逐渐向深部延伸以及交通、水利、隧洞等工程的发展,大量隧道、巷道需穿越软岩地层,高地应力、围岩破碎软弱等问题突出,软岩大变形灾害频频发生,造成重大安全隐患和经济损失。对我国现阶段软岩支护的研究进展做了系统的总结,从4个方面概括分析了软岩大变形灾害控制技术与方法的研究现状,包括：（1）以改进型刚性或可缩性支架、复合型衬砌为代表的被动支护方法;（2）以高强预应力锚杆、锚索为代表的增强型主动支护技术;（3）以注浆改性为主导思想的软岩改性技术;（4）让压技术;（5）多重改进方法联合支护技术。阐述了不同支护技术和方法的发展现状,分析了不同支护手段的适用条件、技术优势与不足。采用单一支护手段的改进通常难以满足软岩大变形控制的需求,如何实现不同支护措施之间的高效协同控制,以及实现对围岩变形应力场的实时精准监测等问题是目前我国软岩大变形灾害防控亟待解决的难题。最后,基于上述研究成果,分析了我国软岩大变形灾害控制技术的发展趋势并提出了建议。     

朱集矿深井软岩巷道大变形机制及其控制研究

为了研究深井软岩巷道大变形机制及其控制对策,以淮南矿业集团朱集矿 885 m东翼轨道大巷为支护工程实践。该巷道为典型的深井高地应力软岩巷道,开挖后围岩表现出强烈非线性大变形特点,变形速率大。首先进行了围岩大变形等级识别,并基于Hoek-Brown弹塑性模型分析了巷道围岩的应力场、位移场,考虑巷道断面形状、围岩强度特征、巷道群扰动等影响,揭示了该巷道的大变形机制。针对 885 m轨道大巷提出了新支护方案,该方案尤其注重底板支护和底角抗剪支护。数值模拟和现场监测表明,该支护方案取得了良好效果,是一种有效控制深井软岩巷道大变形的支护方法。     

静压沉桩引起邻近隧道水平位移计算方法研究

静压沉桩过程中会产生强烈的挤土效应,使得桩周土及邻近的地下电缆隧道产生扰动变形,如果变形过大,可能破坏隧道的防水结构,造成隧道渗漏水,严重影响隧道的正常使用及安全。在圆柱孔扩张理论及基床系数法的基础上,研究了饱和软土地区静压沉桩作用下周边地层及邻近既有电缆隧道应力及水平位移的理论计算方法;考虑群桩效应,推导了单排群桩施工造成邻近既有电缆隧道水平位移的理论计算方法,并研究了群桩效应影响系数的取值范围;最后,开展了实际工程的理论计算和数值模拟。研究结果表明：提出的方法可方便计算出单桩及单排群桩施工造成的邻近既有电缆隧道的水平位移,计算结果与数值模拟结果吻合性良好。研究可为有邻近桩基施工时电缆隧道的扰动预测及保护提供参考。