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。     

隧道锚–围岩系统承载特性的室内模型试验及畸变纠正

为研究隧道锚–围岩系统的承载特性,依托云南普立特大桥普立岸隧道锚,开展锚塞体不同大小和埋深的室内模型试验研究。试验结果表明,试验荷载作用下和锚塞体接触部位的围岩首先发挥抗剪作用直至到极限状态,锚塞体发生微小变形,然后荷载产生的应力逐步向围岩中扩散,围岩表面出现变形,最终锚塞体位移发生突变,围岩表面出现放射性裂纹。根据锚塞体和围岩表面的荷载–位移曲线以及围岩中的附加应力变化情况,研究了隧道锚–围岩系统的承载力确定方法。针对相似材料中III类围岩黏聚力不满足相似比的情况,提出采用数值仿真的方法对进行畸变修正,得到与原始地质模型匹配的相似模型允许荷载是30f(f为设计荷载),极限荷载是设计50f。研究结果可为大桥隧道锚的修建及类似的工程设计提供参考。     

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。     

层状岩体围岩变形破坏特征及稳定性评价

层状岩体是地下工程中经常遇到的一种岩体,具有明显的各向异性力学性质,其变形破坏特征与均值岩体相比表现得更为复杂。根据共和隧道地质调查和地应力量测的资料分析,隧道围岩偏压现象与地应力和岩性有极大的相关性。通过对隧道初期支护开裂段围岩位移收敛、围岩接触压力、锚杆轴向力监测和松动圈探测,其结果表明,围岩变形及应力和松动圈都在右拱肩处最大,即靠河侧大于靠山侧,与初始地应力的最大主应力方向不一致。因此,通过现场监测提前了解围岩-支护结构的变形及受力状况,及时修改了支护参数,避免了隧道垮塌等恶性事件的发生,从而有效指导了隧道施工和设计。     

深埋脆性岩石力学参数评估与变形特性探讨

隧道工程开挖深度有逐渐增加的趋势,深部岩石具高强度及高应力环境。虽然脆性岩石在高围压应力下,将转而呈现延性特性,但隧道开挖所产生的径向解压,使隧道周边一定范围内的岩体处在低围压状态,故这部分围岩的变形仍由脆性性质所掌控。对于脆性岩石呈现峰后强度弱化特性,文中汇整各种岩石峰后强度弱化参数评估方法后,提出结合Hoek-Brown准则与岩心试验的强度损失试验评估法。以实际工程案例分析结果显示,600 m埋深时岩石峰后强度弱化与否,对隧道围岩变形量影响不大,但隧道埋深超过2 000 m后,变形量的差异将达到3～4倍左右,显示脆性岩石峰后强度弱化特性,对深埋隧道施工变形影响不可忽视。     

隧道围岩变形的尺寸效应研究

通过分析不同结构围岩的变形机制研究隧道变形的尺寸效应,研究结果表明隧道围岩变形的尺寸效应与围岩的变形机制存在密切的关系。围岩中由于结构面的存在使围岩的变形机制复杂多样,主要包括材料变形和结构变形两大类,围岩变形的尺寸效应也主要体现在材料变形和结构变形两方面。围岩材料变形包括弹性变形和塑性变形,均与围岩断面尺寸呈线性比例关系;围岩结构变形的尺寸效应表现为：（1）围岩结构类型随隧道断面尺寸的增大而发生改变,不同类型的围岩其变形机制不同,不同变形机制产生的围岩变形量相差较大;（2）在同一种围岩结构下,相同变形机制产生的围岩变形量也会随着隧道尺寸增大而呈现不同的变化规律,如在块状围岩中,隧道周边不可动块体会随着隧道断面尺寸的增大而转化成可动块体,从而发生滑动或者滚动变形,甚至坍塌;在层状围岩中,岩层的弯曲变形与隧道断面尺寸的平方成正比。     

通渝隧道围岩变形的神经网络预测

隧道新奥法施工中 ,常以围岩变形量作为评判围岩稳定性和支护结构经济合理性的重要指标。公路隧道围岩变形量是随时间而变化的数据序列 ,因而可以建立一些实时跟踪预测模型和方法。根据通渝隧道围岩拱顶下沉位移变形的特性 ,采用神经网络技术来预测其变形量 ,结果表明该方法简易、有效     

让压锚杆在大变形隧道支护应用中试验研究

锚杆在支护大变形隧道工程时常因变形过大而发生拉断破坏,为推广可延伸性锚杆在大变形隧道中的应用,提出了恒阻挤压滑移让压锚杆,通过挤压并拉伸锚杆杆体来消耗高地应力引起的围岩形变能量,实现让压功能;通过调整挤压套的位置、握裹力,可以依据具体大变形隧道工程的围岩特性,调节让压锚杆的让压荷载、最大让压量。通过室内试验,证明了恒阻挤压滑移让压锚杆让压装置可靠性,获得了恒阻挤压滑移让压锚杆力学特性。以兰渝线毛羽山隧道为应用工程,试验结果表明：让压锚杆在大变形隧道工程中可以保证可靠的让压效果;在软弱不良大变形隧道工程中,宜采用注浆等手段以保证让压锚杆的有效支护性能;让压锚杆可以有效控制围岩变形,保证大变形隧道中围岩的收敛效果。     

冰水堆积体隧道围岩分级与支护力确定方法

为定量评价冰水堆积体围岩参数,提出一种冰水堆积体围岩快速分级方法,并给出冰水堆积体的变形控制标准,主要包括：（1）根据规范的相关计算方法,结合国外相关规范与冰水堆积体的基本特性和地貌特征,对设计阶段围岩进行分级;（2）根据土体密实状态、细粒含量以及细粒含水率,对施工阶段围岩进行分级,将冰水堆积体分为3个基本等级,4个亚级;（3）根据地下水与围岩胶结情况提出最终的围岩分级;（4）基于冰水堆积体隧道围岩分级,计算了不同围岩等级下的围岩特性曲线以及隧道允许变形量,从而提出基于允许变形量的隧道支护力确定方法。研究成果可以为冰水堆积体隧道围岩的分级、支护力的确定等提供参考。     

城市地下软弱围岩超大断面隧道施工工法

如何保障超大断面隧道的稳定性是当前国内外地下工程亟需解决的技术难题,而超大断面隧道在穿过软弱围岩地带时更容易发生变形失稳破坏等现象.选择合理的开挖工法对隧道施工时的安全性以及围岩的支护控制效果都具有重要意义.以深圳侨城东路北延通道工程东路隧道标准段为研究背景,针对超大断面隧道、地质条件复杂、围岩多为Ⅳ至Ⅴ级的复杂特征,通过原位钻探和室内岩石物理力学实验,获得隧道围岩关键参数,分析隧道围岩大变形机理;利用FLAC3 D数值模拟软件建立隧道模型,模拟全断面法、CRD法、三台阶法和三台阶七步预留核心土法4种不同开挖工法对隧道软弱围岩稳定性的影响;通过揭示其位移应力变化规律,结合室内相似比物理模型试验结果,总结大跨度隧道围岩的应变特征.研究表明:三台阶七步开挖法为侨城东路隧道标准段的最优开挖工法.     

岩溶区隧道围岩--支护体系稳定性研究

岩溶是地下水地质作用的过程和结果，是隧道建设面临的不良地质现象之一。正在建设中的某高速公路隧道出口段岩溶地质作用强烈，溶隙、孔洞发育，且受构造变形及后期淋滤溶蚀作用强烈，力学强度低，岩性复杂。其角砾状粘土岩和水云母粘土岩多已泥化成粘土，遇水易膨胀。岩溶区隧道围岩——支护体系的稳定性是该隧道建设面临的主要问题。文章结合隧道施工过程中的围岩变形监控量测和三维弹塑性有限元数值仿真模拟对隧道围岩——支护体系的稳定性进行了研究。围岩水平收敛和拱顶下沉位移及速率变化特性表明，在监测时段内隧道围岩无趋于稳定的迹象。施工动态力学数值仿真模拟表明，在初期支护条件下，围岩出现了较大范围的塑性破坏区，两隧道之间(间距45．0m)围岩破坏接近度达到0．70，最大竖向位移达到3．0mm，表明隧道全断面施工时，两隧道相互作用影响程度较大。为确保隧道围岩——支护体系的稳定，选择合理的施工方法，制定切实可行的支护方案提供了信息。     

基于非完整拱效应的软岩隧道掌子面变形及其控制研究

为研究大断面软岩隧道掌子面变形规律及控制方法,基于新意法及非完整拱效应理论对雷公山隧道构造破碎区域掌子面大变形失稳机理进行分析,基于GSI围岩评级系统获得隧道围岩的力学参数,通过FLAC3D构建隧道三维数值模型,进行系列工况试验,研究隧道在非完整拱部效应时掌子面挤出位移及预收敛位移的变化特征,分析隧道掌子面预约束及预加固措施对大断面软岩隧道稳定性的影响。结果表明,掌子面处的挤出位移均在内轮廓中心处达到最大,并呈环形逐渐向外减小,超前核心土预加固在掌子面中心处对挤出位移及预收敛位移影响最为明显;隧道开挖在掌子面纵向造成的扰动范围约为1.2倍洞跨,在掌子面径向造成的扰动大约为1.5倍洞跨;根据计算结果提出掌子面加固措施,通过对隧道预收敛变形及挤出变形的监测分析,验证支护方案的可靠性,提出的掌子面预约束及预加固措施对大断面软岩隧道施工具一定的借鉴意义。     

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。     

水平产状小厚度软岩层压缩挤出原理与条件探讨

根据Deere和Miller对岩石的分类,可将软岩分为塑性与弱弹性两种,据此提出压缩型挤出有两种情况,即完全塑性挤出与塑性加半弹性挤出,建立挤出变形的微分方程,获得了发生这两种挤出的最小覆盖层厚度、压缩变形破坏宽度、壁内应力分布、挤出体积与挤出长度等估值公式。还利用公式分析了一般情况的挤出条件,它们与岩石物理力学参数关系及其变化规律。对几个挤出大变形隧道的最小覆盖层厚度进行估算,结果符合实际,表明可供实际工程应用参考。     

复杂山区深埋隧道软岩大变形机理研究——以杨家坪隧道为例

杨家坪隧道施工过程中,软岩大变形不同程度地造成边墙内挤侵限、初期支护和二次衬砌严重变形破坏。为了揭示杨家坪隧道软岩大变形的成因机制,综合工程地质勘察、现场监控量测、室内岩石力学试验、数值模拟和微观分析等手段对其进行综合研究。现场监测结果显示发生大变形的区段与隧道渗水有关,室内物理力学试验表明,千枚岩的纵波波速随浸泡时间变化衰减了2.04% ~5.85%,当充分浸泡28 d后,其单轴抗压强度和弹性模量与天然状态相比分别降低了59.56%和69.68%,说明千枚岩遇水后结构产生了损伤劣化。通过X射线衍射进行矿物成分检测,进一步分析了水岩作用造成隧道围岩强度降低的微观原因。根据现场地应力测试及初始地应力场反演分析可知,杨家坪隧道轴线92.08%的区域处于高到极高地应力状态。此外,高陡倾薄层状千枚岩地层的工程力学特性,以及水和千枚岩的相互耦合作用是杨家坪隧道围岩大变形的主要原因。     

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。     

西部某强风化炭质板岩隧道变形力学机制及大变形控制方法研究

为解决国家兰海高速(G75)定西段岷县隧道在建设过程中原支护设计方案出现的软岩大变形问题，通过软岩类型分析、围岩变形力学机制分析，提出针对不同力学机制的力学转化对策，引入在矿山及边坡等岩石领域广泛应用的高预紧力恒阻大变形锚索，提出了“超前支护+长短NPR锚索优化布置主动支护+钢拱架+混凝土喷浆永久支护”的高预应力主被动联合支护技术。通过数值模拟和现场监测效果对比研究，结果表明，现场试验段围岩最大变形量仅为73 mm,恒阻大变形锚索的预紧力均在280～300 kN范围内，可见优化后不同支护技术均对围岩变形起到了控制作用，有效发挥了恒阻让压支护的作用，控制效果明显。     

膏溶角砾岩侧限膨胀特性试验研究

研究了膏溶角砾岩的侧限膨胀特性及其影响因素。这种岩石受到扰动后可吸水发生膨胀变形使其结构发生变形甚至破坏。通过GDG高压固结仪采用平衡加压法和充分膨胀法研究了侧限情况下岩石的膨胀力指标, 解释了充分膨胀法膨胀力指标大于平衡加压法膨胀力指标的原因。通过试验研究了供水充足条件下膏溶角砾岩侧限自由膨胀变形演化规律, 阐述了膏溶角砾岩侧限膨胀变形的影响因素。岩石试样采自山西石太客运专线太行山隧道, 试验结果表明, 膏溶角砾岩的膨胀特性不同于常规的膨胀岩, 其轴向膨胀变形随含水率增加而增加, 随密度增大而减小。     

海底隧道风化花岗岩流变试验研究

采用全自动三轴流变试验机对厦门东通道海底隧道风化槽地段岩石进行三轴压缩流变试验,研究了岩石在不同围压和不同应力水平作用下轴向应变随时间的变化规律。试验表明,强风化花岗岩时效特性较全风化花岗岩更加明显;围压对岩石蠕变变形存在很大影响,围压越大,蠕变变形量越小。通过分析岩石压缩流变过程中应力-应变关系可知,蠕变变形在弹性阶段不对岩石整体构成明显损伤。而进入塑性阶段后,黏塑性变形对岩石破坏影响较大。建议通过支护增加围压,以提高隧道围岩屈服强度和减小流变变形,防止隧道失稳破坏。     

河北省滦平县张家湾隧道断裂破碎带特征与围岩失稳研究

根据对张家湾隧道开挖过程中多次发生塌方地段的工程地质调查资料,采用现代地质工程的理论,系统分析了引起张家湾隧道塌方的叠瓦状断裂带的构造特征、力学性质、以及控制该地区主要工程地质特征。研究主要内容包括断裂带及其周围地区的岩石组合特征、地下水特征、断裂构造带应力场及伴生的小构造特征,重点分析了断层带活动对于隧道围岩体的力学性质所产生的影响,通过对比断层破碎带中及两侧岩石风化前后的力学参数,发现了该隧道可能产生塌方的主要地段的识别标志。结合现场实际情况提出在隧道施工中,应对危险岩体地段加强长、短期地质超前预报工作以及通过合理的喷浆、结合钢支撑的组合支护方式,控制隧道变形的防治措施。