长大深埋隧道软岩大变形段处治方案浅析

武都隧道通过破碎带段初支混凝土错台剥落、钢架剪断破坏,如何保证衬砌结构安全是隧道建设者面临的重大而又艰巨的难题。本文通过对武都隧道软岩大变形情况及特征的深入分析,发现断层破碎带影响和地应力情况影响是导致围岩大变形的主要原因。根据不同支护形式现场实施情况结合监控量测数据,提出隧道穿越大变形段的合理支护形式及施工方案,具体包括调整支护参数、减小开挖临空面及初期支护快速封闭成环和采用铣挖机取代爆破开挖等。针对软岩流变特性较强、穿越断层段地层结构紊乱和地应力分布不均的特点,建议隧道二衬施做前初支变形速率应小于2 mm ·d^-1,并将所有的施工缝设置为沉降缝。     

软岩隧道大变形环向让压支护机制研究

传统锚喷支护不能满足软岩隧道变形控制的要求,让压支护成为控制变形的重要手段。环向让压支护是在隧道环向设置让压装置,实现支护结构刚-柔-刚的特性。从隧道开挖-支护过程中能量转化的角度,阐明了环向让压支护的原理,运用结构力学的解析法分析影响支护结构变形的主要因素,利用有限元软件ABAQUS比较分析传统支护与环向让压支护力学特点。得出如下结论:初期支护属于典型的压弯构件,环向让压支护通过环向压力使得让压装置屈曲,与支护结构的内力相一致,既能实现一定的支护阻力,又通过周长的缩短调整围岩应力和围岩压力;环向让压装置应设置在弯曲应力较小处,并确保其抗剪切的刚度和承载力,应具备"强剪弱压"的特点;环向让压支护具有刚-柔-刚的力学特性,可以实现与高地应力软岩的流变特性相适应。     

成兰铁路软岩隧道大变形特征及成因机制探析

成兰铁路软岩隧道大变形具有衬砌开裂、钢架扭曲、隧道断面缩小等一般大变形的特点,更具有其区域特殊性,即成兰铁路穿越龙门山构造带、松潘甘孜褶皱构造带及西秦岭褶皱构造带三大构造单元的10条活动断裂,构造条件极为复杂活跃;全线70%的地层岩性为板岩、千枚岩、片岩及炭质板岩等软质岩,受构造影响,多表现出强烈的揉皱变形和挤压破碎,地层岩性条件极为软弱破碎;穿越汶川512强震区,地震波对岩体震裂损伤作用进一步降低软岩岩体的完整性、增强其透水性,汶川地震效应极为显著;构造应力环境极其复杂,高地壳应力的构造应力场特征明显。成兰铁路呈现以复杂的构造应力条件、软弱破碎的地层岩性条件、不利结构面组合的偏压现象及地下水软化效应等相互作用为主的大变形成因机制,可概括为应力作用下的松散型大变形、挤压性大变形及软岩结构型变形3种类型。本文研究结论对在建成兰铁路及类似工程地质条件下的隧道工程建设具有重要的指导意义。     

软岩隧道大变形预警分级研究及发展趋势

为实现隧道大变形段的准确预警分级及发展趋势评价,本研究以隧道大变形监测成果为基础,先利用多种评价判据构建隧道大变形预警分级模型,并利用优化长短时记忆神经网络构建大变形预测模型,以实现现状预警分级和发展趋势评价的综合研究。实例分析表明:不同判据评价得到的大变形预警等级存在一定差异,按不利原则,得到大变形段的预警等级为Ⅳ级-红色,应闪光、声音警示,并暂停施工、商讨对策,以切实保证施工安全。同时,通过大变形预测,得到其预测结果的平均相对误差均小于2%,验证了该文预测模型的有效性,且外推预测得出隧道变形仍会持续增加,并无收敛趋势,建议加快大变形加固处理,以避免造成塌方灾害。     

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。     

软岩泡水隧道锚变形破坏模型试验

为了研究软岩隧道锚锚体及其围岩泡水后变形破坏的特点,以在建的几江长江大桥为依托,开展了泡水状态（M2）和自然状态（M3）两组缩尺比例为1:30的现场模型试验。通过对各关键测点的试验数据分析,获得了不同状态的模型锚锚体和围岩在破坏过程中的变形特点及规律,并对隧道锚的破坏模式进行了分析。研究表明：不论是模型锚表面还是深部,试验过程中,M2各测点（锚体外侧岩体、锚间岩体等）的位移总体大于M3测点的位移,且破坏荷载值要低于M3。隧道锚围岩含水率不同,破坏模式有所差异。对于含水率为7.39%的M2,其裂隙出现顺序为先洞脸后地表,先西锚后东锚;对于含水率为5.36%的M3,其裂隙先出现在锚体上部地表,然后出现在锚洞斜面,最后在锚碇区大量出现。此外,地形条件也会使得同一含水状态的隧道锚的两个锚体的变形有所差异。研究成果可为软岩隧道锚的修建以及类似的工程设计、施工等提供参考和借鉴。     

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。     

基于台阶法的极破碎软岩隧道开挖进尺优化研究

为探明极破碎区域软岩隧道在采取不同台阶间距情形下,隧道变形及结构内力的分布及变化规律,寻求其合理开挖进尺,本文结合“5.12”特大地震发震断裂——龙门山断裂带附近杜家山隧道的实际施工过程,根据隧道采取的三台阶+预留核心土方法,以现场试验段采取的3种开挖进尺为依托,对不同工况下隧道变形及结构受力进行对比分析,初步认为:F1及F2工况为极破碎区域软岩隧道的最优进尺.在此基础上对l、1.5、2、2.5、3、3.5m开挖进尺,采用数值模拟手段对现场试验进行补充验证,通过对开挖后隧道变形、支护受力与现场监测值的对比分析,进而对不同工况下隧道施工后结构的稳定进行评价,综合分析表明,对于软岩隧道,循环进尺应在l～2m间合理选择.现场试验段的成功运用也论证了这一方案的合理、有效性,其成果可供类似工程施工参考.     

软岩工程中的大变形问题及研究方法

目前，研究软岩工程所采用的力学理论一般基于经典力学中的“小变形”假设，这些理论虽然可考虑软岩的物理非线性特性．但仍为小变形近似理论。而软岩工程问题由于其所处介质环境的特殊性，应视为大变形问题。本文用实例证明了小变形理论的不合理性，并以广西耶龙矿二号井的软岩问题为例，介绍了大变形理论在解决软岩问题时的优越性，为软岩工程的大变形力学研究，提供了一个可供借鉴的方法。     

构造活跃区铁路隧道构造软岩大变形的总体特征和控制因素

西南复杂艰险山区等典型构造活跃区隧道围岩大变形问题突出,仍需进一步研究西南山区等构造活跃区铁路隧道大变形的控制因素。为此,本文以西南活跃区软岩大变形隧道为主要研究对象,对西南山区构造活跃区地质环境特征进行了系统梳理,总结了此区域内的拉林线江木拉隧道、丽香线中义隧道和成昆复线大坪山隧道等典型大变形隧道隧址区地质构造、地应力场和地层岩性的共性特征,综合分析构造软岩大变形的受控因素和总体特征,研究成果和结论可为西南山区铁路隧道大变形的机理认识和预测防控提供参考。     

基于能量增减法的深埋绿片岩隧洞稳定性评价方法

基于对现场地质条件和开挖响应的直观认识和对岩石室内试验所得物理力学特性的深刻揭示,建立了深埋条件下软弱围岩大变形挤压程度分级方法及相对应的安全系数计算方法。该方法考虑到隧洞原岩集聚的能量过大是造成开挖后围岩失稳的根本原因,将隧洞原岩能量和围岩的总变形与弹性变形之比相结合,分析了隧洞的围岩稳定性状况,并在此基础上通过增减隧洞原岩能量得到了其安全系数。通过实际工程应用及与传统经验评价方法的对比,验证了该方法的合理性与适用性。该方法考虑了围岩的地质情况、断面形状、尺寸、开挖方式等多种因素,弥补了传统经验评价方法无法适应复杂多变的现场工程施工情况的不足,更加贴近实际。可为大变形隧洞的安全预测、开挖方案、支护设计等提供重要参考依据。     

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。     

火车岭隧道围岩大变形问题及治理

在现场调研、工程地质勘察和应力分析基础上,研究了在建的十漫高速公路火车岭隧道施工中出现的大变形问题。结果表明,导致大变形发生的原因主要是岩性、偏压和两郧断裂构造作用等。大变形治理及后续开挖施工时,不能依赖围岩的自承能力,必须增加初期支护的强度和刚度,增大预留变形量,同时及时进行二次衬砌来承担部分荷载,特殊地段可进行适当的地表治理。实践证明,整治后的大变形由最大1.6 m降低到不足20 mm,治理措施同时适用于十漫沿线其他大跨度公路隧道大变形问题。     

泡沫混凝土预留变形层对深埋软岩隧道长期稳定性影响研究

泡沫混凝土的单轴和三轴试验研究表明,泡沫混凝土具有较高压缩性和良好延性,可以作为深埋软岩隧道初期支护与二次衬砌之间预留变形层填充材料,分析了其对宜巴高速公路深埋软岩隧道长期稳定性的影响。研究表明,深埋软岩软岩隧道在二次衬砌施工之后依然会产生较大的蠕变变形,单纯依靠提高二次衬砌的厚度,并不能完全控制住围岩的蠕变变形,而且衬砌结构很容易由于变形压力过大而发生破坏。泡沫混凝土预留变形层,可以很好地吸收围岩蠕变变形,缓解二次衬砌承担的蠕变变形压力,减小衬砌的变形,改善其受力,采用厚度较小的二次衬砌即满足隧道长期运营的要求。     

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。     

隧道施工地层变形预测研究综述和展望

在分析总结软土隧道施工变形预测方法的基础上,将变形预测的研究方法分为静态分析法和动态分析法两大类。其中,静态分析法包括以Peck理论体系,考虑弹性、弹塑性和黏弹性的解析法、理论移植法及专家系统;动态分析法包括各种数值分析法、模型法、时间序列法及神经网络智能预报等。其中Peck理论体系是基于Peck公式,后经不断改进和完善的一系列公式。理论移植法包括随机分析法、模糊数学法、镜象法、回归分析法等。对每类方法的研究进展及优缺点进行了论述,并提出了研究趋向。     

构皮滩导流洞软岩段围岩稳定性分析

采用弹塑性有限元方法,对构皮滩导流洞软岩段围岩开挖、喷锚支护进行合理的模拟,研究了洞室开挖过程及开挖完成后围岩的应力、应变状态、变形大小及塑性区的分布,并对喷锚支护效果作出评价。