软弱围岩隧道掌子面及超前核心土挤出位移特征研究

为研究软弱围岩隧道掌子面及超前核心土的挤出位移特征,用Solexperts AG公司生产的GMD滑动测微计对湄渝高速岐山隧道F215构造破碎带区域进行了挤出位移实测,通过有限差分程序进行系列数值试验,着重研究了隧道穿越软弱围岩期间挤出位移的变化特征,并分析了破碎带长度和硬软岩刚度比的影响。结果表明,(1)挤出位移的大小可反映前方围岩质量,挤出位移在超前核心土内的分布可反映前方围岩的节理裂隙发育情况;(2)隧道开挖在掌子面前方造成的扰动范围大致为1.5倍的隧道开挖跨度;(3)隧道接近前方变化地质区域时,挤出位移的增大或减小具有超前性;(4)软岩段长度在一定范围内会影响掌子面进入软岩区后挤出位移的大小和变化趋势;(5)硬岩与软岩间的刚度比越大,挤出位移变化速率越大,且隧道由软岩区向硬岩区掘进时挤出位移的变化时机越早,而由硬岩区向软岩区掘进时的变化时机不受刚度比影响;(6)可将对挤出位移的监测分析作为超前地质预报的补充手段判断掌子面前方围岩情况。     

构造应力场中的软岩客运专线双线隧道稳定性研究

以铁道部250 km/h客运专线标准断面双线隧道为对象,依托木寨岭高地应力软岩隧道工程,研究构造应力场条件下隧道变形特性、能量积聚、力学响应及塑性区规律。水平大主应力平行隧道轴线时,高能集中区和塑性区主要集中于边墙,掌子面前方围岩能量密度较小,掌子面挤出变形较大;水平大主应力垂直轴线时,高能集中区和塑性区主要分布在拱顶、仰拱及掌子面,掌子面前方围岩能量密度较大,挤压变形较小。研究表明：掌子面前方待开挖核心土体表现能量-位移正交性,而目前采用简单的挤出变形来判别掌子面稳定性,其合理性值得进一步商榷;规范给出“最大水平主应力与隧道轴线平行或小角度相交设计原则”,并不是对所有高地应力场都适用;锚杆在开挖初期有效促进临时“承载拱”的形成,使“压力拱”偏移至隧道轮廓附近,成为施工初期稳定的关键;锚杆降低边墙深部岩体切向应力峰值,随着掌子面推进,拱效应不断向深部岩体移动,形成动态压力拱。     

不同地质条件下浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性研究

不同围岩条件下浅埋偏压小净距隧道的围岩稳定性相差很大,特别是半软半硬岩层隧道,由于软硬交界面的存在,其施工力学特性更加复杂。使用FLAC3D模拟不同净距下均质硬岩、均质软岩和竖向半软半硬岩隧道施工15种工况,对比分析中岩墙、拱顶上部围岩、仰拱处围岩和边坡的围岩稳定性。结果表明:隧道开挖引起均质围岩中岩墙上部水平位移最大,而半软半硬岩中部水平位移最大,中岩墙上部围岩稳定性最差;0.6B净距可以作为半软半硬岩偏压小净距隧道的临界值;半软半硬围岩隧道开挖引起拱顶沉降量和硬岩隧道比较接近,远小于软弱围岩隧道拱顶沉降;隧道开挖引起软岩侧洞室上覆盖层围岩稳定性变差;隧道开挖引起拱顶上部围岩破裂面整体呈"W"形,仰拱部围岩破裂面呈"M"形。     

大型硬岩地下硐室围岩二次应力场特征弹脆塑性分析

结合某水电站硬岩地下厂房开挖,运用FLAC3D软件,对不同地应力环境中大型地下硐室开挖围岩的二次应力场的大小变化、分布特征及其对围岩稳定性的影响进行了三维弹脆塑性数值模拟分析。分析结果表明:①在低地应力环境中,顶拱浅部围岩1σ随开挖逐渐增大,2σ基本不变,3σ在顶拱开挖时迅速降低。而在较高地应力环境中,在顶拱开挖时,应力处于三向迅速卸荷状态;②无论在较高还是低应力环境中,边墙和底板浅部围岩的应力变化路径基本一致,开挖出露时,均处于三向卸荷应力状态;③较高地应力环境中的应力松弛区、集中区及围岩塑性区的分布范围和深度均比较低地应力环境中开挖要大(深);④开挖结束后,围岩的σ1平行于硐室轮廓线,而σ3指向开挖面;⑤硬岩大型地下硐室开挖,由于围岩浅部应力差迅速增大,岩体可能出现脆性破坏,甚至出现岩爆现象。     

硬塑-流塑浅埋黄土隧道变形特性及合理预留变形量模型试验研究

开展硬塑-流塑浅埋黄土隧道室内大型三维YTLH岩土联合地质模型试验,对比分析了硬塑、软塑、流塑3种状态,12 m和24 m两种埋深下的围岩内部位移、预收敛变形、掌子面挤出位移和径向围岩压力。结果表明:硬塑、软塑和流塑条件下围岩内部位移差率均呈现出"拱顶极小、两侧边墙极大"的特征,拱顶位移差率小于20%、两侧边墙位移差率大于91%;拱顶设计4.5 m长锚杆抗拉效果甚微,边墙围岩内部位移差利于锚杆抗拉效应的充分发挥;硬塑、软塑、流塑预收敛率分别接近65%、70%、80%,开挖对掌子面前方影响范围分别为0.5D、0.6D、0.8D,且呈现出直立型、鼓出型、滑塌型不同失稳破坏模式;应力释放率关系为硬塑<软塑<流塑,软流塑态拱顶应力释放率最大约70%,实际工程应避免软流塑态瞬时应力释放过渡而失稳。双线浅埋黄土隧道合理预留变形量建议取值:硬塑(拱顶55～70 mm、边墙15～20 mm),软塑(拱顶166～180 mm、边墙40～50 mm),流塑(拱顶290～300 mm、边墙125～140 mm),且拱顶和边墙之间按曲线过渡非等量留设。     

基于广义Hoek-Brown准则的隧道纵向变形曲线研究

纵向变形曲线是隧道开挖面空间约束效应的直观反映,多数纵向变形曲线的研究并未考虑围岩质量和应力水平的影响。基于广义Hoek-Brown准则,采用有限差分法,提出了能够量化不同围岩质量及应力水平下开挖面空间效应差异的纵向变形曲线函数表达式,可以简便地得到不同地质条件下的隧道纵向变形曲线,通过误差分析及与已有研究成果对比,验证了该方法的合理性与普适性。研究结果表明：围岩基本质量指标值相同时,围岩纵向变形曲线随着埋深增加变得更加平缓,即围岩应力及位移的释放过程越缓慢,埋深相同时,随着围岩基本质量指标值的降低,围岩纵向变形曲线显示出同样的趋势,相对于开挖面前方,开挖面后方纵向变形曲线的这种特点更加明显;开挖面处纵向变形也是围岩质量与应力水平的函数,最大值不超过隧道径向变形最终值的30%。     

复式山岭隧道沟谷段岩爆机理

岩爆是隧道开挖经常遇到的地质灾害形式之一,较高量级的地应力被认为是岩爆发生的必要条件之一.一般说来,地应力量级会随着埋深的增大而增大,这样,浅埋洞段不应有强烈岩爆发生.但是,在近年来的一些复式山岭隧道施工中却发现,一些埋深很小的沟谷段也发生了频繁而强烈的岩爆.本文对这一问题进行了讨论.沟谷横断面上,存在一个半环形的切应力高值区,其宽度和应力量级上小下大;深埋隧道开挖会在隧道周围形成一高切应力环;当隧道垂直山岭走向,从沟谷应力环的中下部通过时,两环叠加,使得围岩应力环境恶化,发生岩爆.一般沟谷越深,坡角越大,水平构造应力的量级越高,发生(强烈)岩爆的可能性越大.岩爆的主要发生部位应该是拱顶,有时可能出现于边墙和隧底交接部位,一般不会在边墙出现.     

硬岩开挖诱发扰动应力旋转规律及其对岩体破裂的影响

针对深部地下工程扰动应力场变化诱发围岩损伤破裂的问题,在详细分析锦屏地下实验室Ⅱ期工程扰动应力场测试数据的基础上,解译了不同施工过程下扰动应力场的变化规律,分析了主应力方向的变化模式,通过对照分析岩体原位钻孔成像,揭示了主应力方向变化对围岩破裂的影响。研究结果表明：中导洞开挖阶段是扰动应力场变化最活跃的阶段,开挖掌子面向监测断面推进的过程中主应力方向的变化模式以应力回旋为主,开挖掌子面远离监测断面推进的过程中主应力方向的变化模式以应力旋转为主,主应力方向出现最大变化幅度的位置在距离边墙4.5 m测点处;边墙扩挖阶段,主应力方向的变化模式以应力旋转为主,主应力方向出现最大变化幅度的位置在距离边墙2.5 m测点处;扰动应力方向变化直接影响岩体裂隙发育的形态和走向,大角度旋转的应力容易诱发张拉裂隙以及拉-剪混合型裂隙,小角度旋转时更倾向于诱发破裂面偏转角度与应力旋转角度相当的、具有凹凸形态的剪切裂隙,大角度回旋的应力多形成相互交叉的“X”型剪切裂隙。基于实测扰动应力的研究结果可为深埋高应力硬岩开挖的扰动应力场变化规律及其对岩体破裂发展的影响研究提供参考。     

拉张盆地不同埋深复合地层中隧道围岩变形破坏数值模拟研究

不同埋深的软硬岩层叠置复合地层变形破坏形式复杂而使得软岩大变形和硬岩岩爆位置相关关系不够明确。在拉张盆地中自重应力为主,侧压系数一般较小且多数在1.0以内。本文以在水平和铅垂叠置复合地层中TBM开挖圆形断面隧道为例,采用有限差分程序FLAC3D对拉张盆地中不同埋深、不同叠置型式复合地层中TBM开挖后的三维弹塑性位移变形、主应力和塑性破坏分布变化特征展开数值模拟研究。模拟结果表明,围岩变形主要发生在软岩层地层中,埋深超过800 m后沿隧道轴向软岩大变形藕节状分段开始显现;随埋深增加,硬岩稳定性变差,顶拱位移增加尤其明显;随埋深增加,软岩和硬岩地层之间主应力差异变小,硬岩中储能明显;埋深越大塑性区分布范围越大;埋深较小时岩层以拉张破坏为主,埋深较大时以剪切破坏为主,两种状态的转换埋深(临界深度)约为800 m。由此对拉张盆地中深埋界限值给予了理论验证。     

半硬半软岩层小净距隧道洞口段监测分析

针对雷公浦小净距隧道后行左洞洞口段具有半硬岩层半软岩层的特点,在开挖过程中,按照新奥法对隧道地表沉降、拱顶下沉、水平收敛、中间岩柱的位移、锚杆轴力、围岩压力和钢拱架应力等项目进行监测。监测结果表明,采用预留核心土法可以较好地控制围岩变形和应力;后行洞的拱顶沉降大于先行洞,且软岩一侧的下沉量更大;中间岩柱较薄弱,开挖初期往先行洞方向移动;降雨对围岩变形和压力影响较大,施工中应引起重视。研究结论可为类似条件下工程的设计、施工和监测提供借鉴。     

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。     

考虑流变效应的高地应力软岩隧道断面形态优化研究

高地应力软岩隧道围岩流变效应明显,形变压力导致的仰拱和边墙连接处的应力集中是导致隧道底鼓破坏的重要原因,合理的隧道断面形态有利于减小应力集中,保证隧道长期安全运营。在考虑软岩流变效应的情况下,以有限元软件ABAQUS为平台,通过Python编程实现隧道断面参数化设计和有限元计算,基于结合罚函数的Nelder-Mead函数建立隧道断面优化算法,并以隧道开挖面积,隧道最大仰拱隆起,围岩蠕变损伤区面积,衬砌最大轴力和衬砌最大弯矩为优化目标,对宜-巴（宜昌至巴东）高速峡口隧道断面形态进行优化,为高地应力软岩隧道断面设计提供科学指导。     

浅埋大跨隧道预加固措施相似模型试验研究

以京沪高铁西渴马1号隧道为工程背景,采用室内相似模型试验研究管棚和双排小导管预加固措施的加固效果。通过分析开挖过程中不同预加固措施下围岩应力和位移的变化规律,得到以下结论,（1）在隧道轴向上,管棚和双排小导管支护起到了梁的作用,能很好地控制上方岩土体由于隧道开挖而导致的松动,且减少掌子面上方围岩应力,保证掌子面的稳定性;（2）在隧道横向上,管棚和双排小导管能与周围的岩体形成承载拱,可限制上部围岩应力释放,提高支护结构的安全 性;（3）管棚的纵向梁效应要强于双排小导管,但双排小导管的横向拱效应要强于管棚。     

偏压软弱围岩隧道开挖顺序比较研究

针对偏压软弱围岩隧道预留核心土法不同开挖顺序造成围岩不同变形量的问题,结合洞头山工程实例,运用现场监控量测结合MIDAS数值模拟的方法,分析比较偏压软弱围岩隧道在不同开挖顺序下各阶段围岩位移变形量。研究表明:开挖顺序的改变能够有效减小隧道各部围岩变形量,且减小程度从大到小的岩体位置依次为浅埋拱腰处、浅埋拱脚处、深埋拱腰处、深埋拱脚与拱顶;拱浅埋侧最大主应力明显减小。因此对于偏压软弱围岩隧道先开挖深埋侧比先开挖浅埋侧更为安全合理。研究成果为隧道信息化施工提供依据,也为洞头山及具有类似地质地形情况的隧道施工提供借鉴与指导。     

考虑软弱夹层厚度的岩体力学响应及破坏特征研究

作为一种典型的地质结构,软弱夹层与硬脆性岩体共同形成了围岩层状复合结构,进而显著影响着隧洞围岩的稳定。以往对含软弱夹层的复合岩石的研究多集中于单轴、双轴或常规三轴,对隧洞临空面处真三轴应力路径下的复合围岩力学性质和破坏特征缺乏分析讨论。通过制作的含不同厚度的软弱夹层复合岩样,探讨了软弱夹层厚度对隧洞临空面围岩力学响应和破坏特征的影响。研究表明：软弱夹层厚度显著影响着复合岩样峰值应力和应变,随着厚度的增大,软弱夹层上方岩块向临空面方向的滑移变形逐渐增大,软弱夹层压缩变形逐渐减小;复合岩样靠近临空面的岩石单元破坏模式随着软弱夹层厚度的增大逐渐由拉剪混合破坏转变为张拉破坏,且宏观裂隙数量和破坏范围均逐渐减小,而远离临空面的岩石单元则由剪切破坏逐渐转变为基本无损伤断裂;不同厚度的隧洞侧帮复合围岩的破坏区域均集中在软弱夹层及其上方围岩处,软弱夹层下方围岩则基本保持稳定;在应力分布方面,软弱夹层厚度越大,最大压应力越向深部软弱夹层处转移,而拉应力区分布范围越小,但拉应力区深度越大。     

深埋隧洞爆破开挖荷载诱发围岩损伤特性

深埋隧洞爆破开挖荷载构成复杂,对围岩损伤区的孕育发展具有重要影响。利用颗粒流程序（PFC）软件,讨论了不同初始地应力状态下爆炸荷载及地应力瞬态卸载所分别诱发围岩损伤的特性,并通过锦屏2级水电站引水隧洞爆破开挖损伤区检测数据对数值模拟的结果进行了验证。研究表明,爆炸荷载和地应力瞬态卸载所诱发的围岩损伤程度和范围均随地应力量级的提高而显著增大;爆炸荷载作用条件下损伤区的分布有随着侧压力系数的增大而向应力集中区发展的趋势,而地应力瞬态卸荷所产生的围岩破坏以受拉破坏为主,表层损伤区沿开挖呈轮廓均匀分布的趋势;在相同的初始地应力状态下,爆炸荷载和地应力瞬态卸荷所分别诱发的围岩损伤区深度均明显小于实测值,考虑二者的耦合效应后,计算值与实测值基本吻合。这说明这两种荷载是高应力条件下爆破开挖荷载的主要成分,但二者耦合作用对围岩的损伤大于它们单独作用效应的线性叠加。     

巷道开挖围岩能量释放与偏应力应变能生成的分析计算

巷道开挖,围岩能量释放,同时在围岩中产生偏应力。围岩应力是原岩应力与偏应力的叠加,偏应力或偏应力能控制岩体破坏。在静水压力 和岩体体积应变为0的条件下,利用文[1]在弹性、非线性软化本构模型导得的巷道围岩应力分布表达式,用重积分计算了围岩弹性区和软化区中的偏应力应变能 ,证明了 可以简捷地用地应力 关于巷壁位移 做一次积分再乘巷壁周长的途径来得到,阐述了该计算途径的原理。巷道开挖过程围岩释放的能量等于围岩压力 关于 的积分乘巷壁周长。由此,可通过 ~ 曲线、 ~ 曲线所围面积的几何形式,表示围岩偏应力能、围岩弹性能释放量随 变化的情况。所得研究结果可以深化围岩由于开挖产生的力学响应及挖成后围岩工况规律的认识。