公路隧道型钢喷射混凝土初期支护安全评价研究

公路隧道常采用复合式衬砌,按“新奥法”原理进行设计和施工。对于软弱围岩段,采用型钢拱架（或格栅拱架）+注浆+锚喷网联合初期支护形式,型钢喷射混凝土初期支护的安全性评价方法是实现支护动态设计的关键。对初期支护安全性评价进行系统研究,建立了型钢喷射混凝土安全性评价数值计算方法。首先,根据监测数据分析围岩最终沉降量、水平收敛值,作为围岩力学参数反演的依据;其次,采用反演的力学参数,通过地层-结构法数值计算型钢拱架喷射混凝土初期支护内力;最后,采用型钢混凝土安全系数计算方法计算和评价初期支护安全性。研究发现,型钢拱架喷射混凝土初期支护能发挥型钢强支护作用,而喷射混凝土达到设计强度后,混凝土起主要支撑作用,型钢间距对提高初期支护安全系数不显著。     

三趾马红土中石楼隧道的工程稳定性初步研究

三趾马红土中石楼隧道4km洞身位于地下水位线以下,围岩极易产生过大变形甚至失稳破坏。通过原位大剪试验,探讨围岩剪应力与剪切位移的变化规律,并得出C、φ值。在此基础上,建立石楼隧道有限元数值模型,分析施工过程中拱顶沉降、水平收敛、应力场、锚杆轴力及初期支护结构弯矩的变化规律,并与现场监测结果进行对比。结果表明:①剪应力与剪切位移呈弱硬化状态;②拱顶沉降、水平收敛在毛洞阶段变形较大,初期支护体系能有效控制围岩变形,拱角极易产生应力集中。建议及早施作仰拱以排除病害,锚杆及支护结构在各自极限范围内,整体是安全的。     

三趾马红土中石楼隧道的工程稳定性初步研究

三趾马红土中石楼隧道4km洞身位于地下水位线以下,围岩极易产生过大变形甚至失稳破坏。通过原位大剪试验,探讨围岩剪应力与剪切位移的变化规律,并得出C、φ值。在此基础上,建立石楼隧道有限元数值模型,分析施工过程中拱顶沉降、水平收敛、应力场、锚杆轴力及初期支护结构弯矩的变化规律,并与现场监测结果进行对比。结果表明:①剪应力与剪切位移呈弱硬化状态;②拱顶沉降、水平收敛在毛洞阶段变形较大,初期支护体系能有效控制围岩变形,拱角极易产生应力集中。建议及早施作仰拱以排除病害,锚杆及支护结构在各自极限范围内,整体是安全的。     

粉质黏土隧道超前支护作用效果研究

以哈尔滨地铁1号线三期为工程背景,采用现场试验与数值模拟相结合的手段,针对超前支护在粉质黏土隧道中的支护作用效果,分别对地表沉降、拱顶沉降、围岩压力、混凝土喷层应力、格栅钢架应力的变化特征和规律进行研究,结果表明,(1)浆液扩散范围过小且不均匀,当前注浆量对土体的改良作用较差,浆土体力学参数并未提高太多,其各项指标与普通土体无异;(2)粉质黏土地层对隧道开挖引起的变形具有一定的抵抗性,超前支护存在与否,变形都能在短时间内稳定;(3)围岩压力横向分布存在明显差异,格栅钢架应力随围岩压力同步激增,说明在粉质黏土隧道中超前支护不具有改善围岩压力不均匀分布、延缓围岩荷载释放的时空效应;(4)格栅钢架最大应力仅为其屈服强度30%左右,混凝土喷层最大应力仅为其轴心抗压设计强度的13.6%左右,强度储备足够保证隧道结构的安全;(5)塑性区范围约为1.5~3.0 m,小导管在径向上并未穿过塑性区,其支护作用实际上是对周围土体的挤密作用,增加其密实度,远远未达到调动围岩自身承载力的效果。     

钢纤维喷射混凝土单层永久衬砌在隧道与地下工程中的应用

软弱围岩中的初期支护采用网喷混凝土已成定式.文章对钢纤维喷射混凝土的作用机理、物理力学性能作了详细的介绍,并从技术、经济及综合效益上与普通网喷混凝土作了全面比较,指出钢纤维喷射混凝土单层永久衬砌是未来隧道与地下工程支护的新趋势.     

大断面黄土隧道衬砌结构受力变形特征研究

本文结合工程实例对大断面黄土隧道中初期支护与二次衬砌的受力变形特征进行了分析研究。大断面黄土隧道在初期支护中变形具有突变性、变形量大、变形持续时间长等特征,应当及时进行二次衬砌,以防围岩变形破坏。大断面黄土隧道围岩压力在初期支护施工初期快速增大,施工结束七天左右逐渐稳定。大断面黄土隧道二次衬砌施工结束12 h左右各部位接触压力均出现突然增大的现象,这可能与台车模板可提供的反向作用力有关;接触压力由拱顶向拱脚逐渐增大,拱顶接触压力极小,可能该处混凝土未浇筑密实。     

空洞对隧道喷射混凝土爆破振动特性及安全评价的影响研究

在隧道工程施工过程中,爆破开挖与喷射混凝土支护往往交替进行,爆破振动可能会造成局部的喷射混凝土与围岩表面之间失去黏结力,二者脱离形成空洞。采用薄板振动理论模型、三维离散元程序3DEC数值模拟及现场实测振动分析相结合的方法,研究了隧道喷射混凝土与围岩之间的空洞对混凝土喷层爆破振动特性及安全评价的影响。研究结果表明,当隧道喷射混凝土与围岩之间存在空洞时,空洞处喷射混凝土的振动速度增大、振动持续时间变长、振动频率降低,振动的幅值-频率谱具有明显的单峰现象,回归分析得到的质点峰值振动速度衰减速率更快;空洞的存在导致隧道混凝土喷层爆破振动危险区域增大,致使选择的喷射混凝土支护时机滞后、采用的最大单响药量偏低,从而降低了隧道开挖的施工效率、增加了工程成本。     

软弱黄土隧道变形规律现场测试与分析

为分析软弱黄土隧道的变形规律,以西宁过境高速大有山黄土隧道为依托,采用精密水准仪和收敛计对隧道地表下沉、拱顶下沉和水平收敛进行了系统现场测试。结果表明：软弱黄土隧道拱顶下沉远大于水平收敛,变形时间长,变形量大,累计拱顶下沉值最大为950.6 mm。在临界埋深范围,围岩变形比深埋、浅埋时都大,且变形量离散性高;围岩变形速率在二衬施作时较大,软弱黄土隧道中作为围岩-支护系统稳定性判据的变形速率宜适当提高;围岩变形随时间变化符合指数函数规律,可利用指数函数预测围岩的最终变形;软弱黄土隧道变形分为急剧变形、持续增长和缓慢增长3个阶段,最终趋于稳定。隧道断面的初次开挖对地表变形影响显著,隧道轴线沉降最大,并沿横向逐渐减小。软弱黄土隧道预留变形量在不同位置处不宜统一设置,西宁地区软弱黄土Ⅴ级围岩建议拱顶预留700～800 mm,边墙预留300～350 mm,拱顶与边墙之间以曲线过渡。     

基于接触应力反分析的隧道初期支护结构内力研究

利用现场监控量测的数据及时分析和评价支护结构的内力是隧道动态设计和施工的关键问题,对保证隧道施工的安全具有重要意义。根据初期支护中喷射混凝土自身特点,将喷层结构视为弹性地基曲梁,并运用弹性地基曲梁理论,通过喷射混凝土与围岩接触应力推求喷层结构内力的解析解,从而得到喷层结构的应力集中部位,方便后续制定施工安全措施。经台阶法开挖的隧道工程实例分析表明,从喷层与围岩接触应力出发来求解喷层结构内力解析式是隧道内力分析一种新的有效方法,为隧道结构的安全评估提供比较可靠的依据     

美国喷射混凝土技术

美国喷射混凝土技术中国地质勘查技术院张春波近几年来，在我国坑道掘进和隧道施工中推广应用“新奥法”取得了较好效果。喷锚支护是“新奥法”三要素（光面爆破、喷锚支护、围岩监测）之一。在我国喷射混凝土以干喷法为主，干喷混凝土产生大量的水泥尘，使作业场所中的粉...     

Optimization of Supporting Structures and Parameters of Tunnels in Soft Phyllite

The study investigated the extra-long Shuangxiling tunnel in soft phyllite within Nanchang–Ningdu highway in Jiangxi province, China. The supporting scheme of reducing the size and density of anchor rods while strengthening the stiffness and strength of preliminary support was put forward aiming at the repeated occurrence of great deformation of surrounding rocks during tunneling. Moreover, two groups of comparative supporting schemes were introduced for comparison. Based on the numerical simulation, the study calculated the amount of displacement deformation, stress on anchor rods, development of plastic zones, stress on shotcrete, and stress on secondary lining structure under different supporting schemes. By conducting field monitoring test, the surrounding rock deformations and pressures under different supporting schemes were monitored and measured in real time. The research results showed that after strengthening the stiffness and strength of preliminary support, the surrounding rock pressure on the supporting structure increased. It limited the preliminary stress release rate of surrounding rocks, protected the integrity of surrounding rocks and controlled the sustained deformation of surrounding rocks. However, weakening the size and density of anchor rods had an insignificant effect on the whole supporting effect. The result of field test was basically consistent with that obtained through numerical simulation, which theoretically and practically verified the scientificity and feasibility of the supporting scheme of weakening the size and density of anchor rod while strengthening the stiffness and strength of preliminary support. The research result provides references for the support optimization of similar tunnels along the highway.     

软弱围岩隧道取消系统锚杆的现场试验研究

在软弱围岩隧道中,提出初期支护结构由钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆+纵向连接筋组成,即取消系统锚杆用钢架联结处的锁脚锚杆代替。以包家山隧道为依托工程,采用现场试验的方法,选取2个试验段,进行锁脚锚杆取代系统锚杆后,有、无拱部锚杆的对比试验研究。对比试验的内容包括：隧道初期支护的净空收敛、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力等。研究结果表明：2个试验段初期支护变形趋于稳定,结构受力安全,说明取消系统锚杆不影响初期支护结构的安全与稳定;拱部锚杆有受拉,也有受压,但受力都不大,最大拉应力仅为钢材极限强度的11.8%,其支护作用不明显;锁脚锚杆大部分受拉,最大值达到191 MPa,钢架支护作用明显,在支护体系中发挥着重要作用。取消系统锚杆减少了施工工序,降低了工程造价,缩短了工序循环时间,有利于及早封闭围岩以形成完整的支护结构。经济价值和社会效益显著。     

深部软岩巷道锚网索耦合支护非线性设计方法研究

由于深部软岩巷道工程岩体介质已进入到塑性大变形阶段,其破坏主要是由于支护体与围岩之间的不耦合造成的,因此提出了锚网索耦合支护非线性设计方法。与传统的线性参数设计不同,该方法在变形设计的基础上,针对最佳耦合过程进行强度设计,提出锚网索耦合支护参数,并在施工过程中通过反馈设计进行修正。与新奥法不同,采用该设计方法进行锚网索耦合支护既能充分发挥锚网主动支护浅部围岩的能力,又能通过锚索调动深部围岩强度的支护能力,从而可以实现软岩巷道支护体与围岩在强度上、刚度上和结构上的耦合,保证软岩巷道围岩的稳定性。     

爆炸平面波作用下大跨度洞室稳定性模型试验研究

通过抗爆模型试验,研究了爆炸平面波作用下大跨度毛洞和锚喷衬砌支护洞室的受力变形和稳定状态。介绍了模型试验原理及方法,根据试验实测数据分析了洞室围岩的受力特征、洞壁的运动变形特征、洞室的破坏形态及承载能力等。研究表明：设计工况和超载工况下,锚喷衬砌支护洞室侧墙部位垂直应力、拱顶加速度正峰值、拱顶位移峰值及残余值、洞壁环向应变峰值均明显小于毛洞;超载试验后,毛洞破坏严重,丧失了承载能力,而锚喷衬砌支护洞室破坏明显轻微,承载能力可提高约60%。     

隧道喷射混凝土支护的曲线结构单元模拟

将一种新的曲线结构单元引入到块体一弹簧算法中,对圆形断面隧道围岩表面喷射不同混凝土衬砌的支护作用机理以及开挖速度对喷射混凝上材料早期强度的影响等进行分析,得出了一些有意义的结论。     

不同开挖方法偏压大跨隧道围岩稳定性对比分析

偏压地形对大跨隧道的围岩变形和支护结构受力有较大的负面影响,科学选择开挖方法是确保隧道施工安全的重要前提。Hoek-Brown强度准则综合考虑岩体结构面特征、岩块强度和施工扰动对岩体劣化效应的影响,能更好地反映隧道开挖过程中围岩的变形情况。据此,本文以贵阳市环城路七冲村二号隧道为工程依托,通过现场调查及经验查表的方法确定了Hoek-Brown强度参数,采用FLAC3D对三台阶法和双侧壁导洞法的开挖过程进行了模拟计算,结合现场围岩变形和钢拱架轴力监测数据,对两种开挖方法的围岩稳定性进行了对比分析,得出结论:相比于三台阶法,双侧壁导洞法能更有效地控制围岩塑性区发展和围岩变形,可以有效地减少偏压荷载对隧道围岩造成的不利影响,但钢拱架受力不均匀,可能对支护结构稳定产生不利影响;综合考虑施工安全和施工进度,围岩较破碎的隧道出口段和入口段应采用双侧壁导洞法施工,围岩较完整的其他区间段可采用三台阶法施工,以节省工期。     

融化作用下多年冻土隧道围岩的弹塑性解及其与支护的相互作用分析

多年冻土隧道修建中,施工活动产生的热量将导致多年冻土围岩中出现一定范围的融化圈,进而影响支护的受力以及隧道洞室的收敛。将围岩分为融化区和未融化区,将融化区围岩视为弹塑性介质,未融化区围岩视为弹性介质,建立并求解融化作用下多年冻土隧道围岩弹塑性模型,对不同的围岩条件及支护工况下多年冻土段隧道施工中围岩与支护的相互作用进行分析。结果表明,该模型表现了融化作用下多年冻土围岩与支护相互作用的特征;在较差围岩中,喷射混凝土支护的强度是控制融化作用下多年冻土围岩稳定以及隧道周边位移量的关键因素。在多年冻土隧道施工中,可采用本模型确定施工中容许的最大围岩融化深度,施工中应采取有效措施避免围岩中出现过大的融化圈。     

围岩弹塑性变形条件下锚杆、喷混凝土和U型钢的支护效果研究

已给出弹塑性变形条件下围岩-支护相互作用的全过程解析求解,在此基础上深入研究3种常用支护结构的支护作用效果,是非常必要的。考虑开挖面空间效应,根据弹塑性变形条件下围岩-支护相互作用的全过程解析求解,针对6、5、4 m直径的工程算例,分别对素喷混凝土、锚杆和U型钢等3种支护结构的支护作用效果进行了理论计算与分析,主要包括:3种支护结构极限承载能力理论计算、基于开挖面空间效应的3种支护结构控制围岩弹塑性变形的理论计算与效果分析、剩余支护承载力对普氏围岩压力支护效果的计算与分析;研究了U型钢支架的荷载-径向变形本构关系、提出了剩余支护承载力的概念、分析了支护结构支护围岩各类形变压力的支护机制。研究结果表明:(1)3种支护结构能提供的支护承载力ip(<1 MPa)相对于原岩应力0p(>10 MPa)来说量级太低,控制5⁶ m及更大直径的巷道围岩弹塑性变形是无效的,但控制4 m直径的巷道围岩弹塑性变形是有效的;(2)对于直径达56 m及更大直径的巷道围岩弹塑性变形是无效的,但控制4 m直径的巷道围岩弹塑性变形是有效的;(2)对于直径达5⁶ m甚至更大的巷道围岩,若支护结构的剩余支护承载力i2p能有效地被保存,则支护结构还可以起到有效地支护普氏围岩压力的作用。     

沪蓉高速柴家湾隧道围岩稳定性分析及支护效果研究

隧道围岩的应力分布及变形特征对保证其长期稳定性具有关键的作用。本文以柴家湾隧道为例进行实态建模,通过采用有限元软件ANSYS对其施工全过程进行了三维弹塑性数值模拟计算。研究结果表明,隧道拱顶和拱脚处应力集中现象明显,局部可能出现拉应力;变形主要集中在拱顶、拱腰部位,衬砌单元所受内力在规定强度范围以内,支护措施合理有效。     

深部破碎软岩巷道围岩稳定性分析及控制

针对深部破碎软岩巷道围岩稳定性控制难题,以邢东矿-980车场巷道为研究对象,采用现场调研、数值模拟、井下试验及现场观测等方法分析围岩变形破坏特征,揭示其破坏机制,针对性地提出了以高强锚杆密集支护、新型喷层结构护表、滞后注浆加固为主体的多层次锚喷网注联合支护系统,详细阐明了具体支护措施的围岩控制机制,并用数值方法分析了锚杆间距、喷层厚度对于围岩应力场和位移场的影响规律。研究表明：（1）随着锚杆间距减小（0.7 m→0.3 m）,锚杆承压拱和喷层结构的承载能力呈幂函数增长趋势,锚固区围岩压应力呈线性增长趋势,围岩变形量明显降低;（2）随着喷层厚度增大,喷层结构承载能力近似线性增长,锚固区围岩压应力亦呈增长趋势,各部位围岩位移量显著降低;（3）当喷层厚度达到200 mm时,非锚固区内围岩大部分处于压应力状态,拉应力区大幅减少。基于上述研究,结合现场地质、生产条件确定试验巷道围岩支护方案,并进行现场应用。工程实践表明,多层次锚喷网注联合支护技术可有效控制深井破碎软岩巷道围岩大变形,实现深井巷道围岩的稳定性控制。