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。论文从隧道开挖-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：（1）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。(2)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;(3) 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。     

考虑软岩强度时效弱化的缓冲层让压支护设计研究

深埋隧道软弱岩体往往具有明显的流变特性和时效弱化效应,隧道开挖后围岩参数随时间的增加逐渐降低,导致围岩流变变形增大,容易造成隧道初期支护和二次衬砌开裂,严重影响隧道施工期及运营期安全。为保证隧道安全,在二次衬砌与围岩之间设置能够吸收围岩流变变形的缓冲层,缓冲层材料具有理想弹塑性特性,其特殊的力学特性使其能够实现与围岩的变形协调,吸收围岩长期变形能,实现软弱隧道围岩的长期稳定。近年来缓冲层让压支护设计逐渐得到众多学者和工程建设单位的认可,但缓冲层让压支护并没有得到广泛应用,原因是让压支护的让压量与让压力的设计一直是工程建设中的难点。基于弹塑性理论,考虑围岩参数的时效弱化和缓冲层支护抗力,提出软岩隧道工程缓冲层让压支护参数的设计方法,并通过V级软岩隧道的支护设计,验证所提缓冲层支护方案的合理性。     

考虑软岩强度时效弱化的缓冲层让压支护设计研究

深埋隧道软弱岩体往往具有明显的流变特性和时效弱化效应,隧道开挖后围岩参数随时间的增加逐渐降低,导致围岩流变变形增大,容易造成隧道初期支护和二次衬砌开裂,严重影响隧道施工期及运营期安全。为保证隧道安全,在二次衬砌与围岩之间设置能够吸收围岩流变变形的缓冲层,缓冲层材料具有理想弹塑性特性,其特殊的力学特性使其能够实现与围岩的变形协调,吸收围岩长期变形能,实现软弱隧道围岩的长期稳定。近年来缓冲层让压支护设计逐渐得到众多学者和工程建设单位的认可,但缓冲层让压支护并没有得到广泛应用,原因是让压支护的让压量与让压力的设计一直是工程建设中的难点。基于弹塑性理论,考虑围岩参数的时效弱化和缓冲层支护抗力,提出软岩隧道工程缓冲层让压支护参数的设计方法,并通过V级软岩隧道的支护设计,验证所提缓冲层支护方案的合理性。     

深埋软岩隧道让压支护结构化实现方法

为了使让压支护更科学地应用于深埋软岩隧道变形控制,改变常规初期支护以弯曲变形让压为主的力学模式,基于结构稳定理论和大变形力学理论,研究让压支护的结构化实现方法.研究结论包括:(1)围岩稳定以拱结构为基本力学模型进行分析,应采取整体性、系统性的控制措施;(2)初期支护应降低几何非线性的影响,实现变形大的让压需求,同时规避...     

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。     

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。     

隧道新型恒阻让压装置的工作机制研究

恒阻让压支护是挤压大变形隧道的大变形控制中较为理想的支护形式,现有技术在高承载力、大变形量及荷载稳定3个方面尚难统一。针对这一难题,受启发于金属拉拔工艺,结合钢拱架支护受力特点,自主研发了拉压转换恒阻让压装置,论述了其工作原理,分析了其力学响应规律与特征,并通过室内试验和数值模拟,对其设计参数的影响规律进行了分析,确定了拉压转换恒阻让压装置性能衡量指标。分析表明：（1）拉压转换恒阻让压装置可在压力条件下恒阻变形,将其安装于钢拱架分段接头处,与钢拱架嵌合为一体,即可保证钢拱架的稳定性,提高钢拱架的大变形适应能力,也可为围岩提供恒定的支护力;（2）基于锥角、摩擦系数、让压杆截面收缩率和直径4个设计参数,该装置可实现让压恒阻力和让压量可控,且其荷载稳定性好,可为软岩隧道大变形及支护稳定控制提供重要技术支撑。     

软岩巷道顶、帮、底全支全让O型控制力学模型及工程实践

软弱岩体的阶段性、持续性流变,导致软岩巷道围岩深度破坏和支护失效。软岩巷道顶、帮、底三者在围岩系统稳定过程中所起的作用不同,软岩巷道围岩稳定性控制应做到整体性和协调性支护。在分析巷道顶、帮、底相互作用效应基础上,针对软岩巷道强流变四周均表现出大变形的破坏特征,提出了全断面、全支全让O型封闭控制的支护原理。该原理强调,开挖初期就应对软岩巷道顶、帮、底全断面进行强力支护,同时全断面又适时让压,在高阻支护力作用下又能适当释放围岩应力,达到对软岩巷道的整体性和协调性控制。通过力学模型对软岩巷道围岩塑性区范围和表面位移与支护力的作用关系进行了分析计算,得出巷道围岩变形破坏与支护力呈负相关关系。工程实践表明,采用该支护原理有效控制了深部软岩巷道的大变形。研究成果对类似工程实践具有一定的参考借鉴价值。     

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。     

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。     

泥化弱胶结软岩地层中矩形巷道的变形破坏过程分析

在西部地区,一定数量的矿区处于泥化弱胶结软岩地层,此类软岩胶结性差、强度低、遇水泥化。矩形是采区巷道的常用型式,但其断面受力不均、稳定性差。在上述软岩地层中的矩形巷道承载力低、变形量大、变形持续时间长,给煤矿的安全生产带来极大困难。以内蒙古新上海一号煤矿皮带顺槽矩形巷道为背景,运用FLAC3D软件中的Cvisc黏弹塑性模型,对矩形巷道的变形破坏进行了数值模拟,并将模拟结果与现场监测结果对比分析。结果表明:巷道开挖支护后,受断面形状影响,矩形巷道四角出现压应力集中和顶板受拉区,巷道顶板下沉量大,底板底臌严重,两帮向巷道挤出;受围岩岩性影响,围岩进入塑性的时间快短、范围大,塑性区超出了支护体的作用范围,造成锚杆(索)的锚固效果难以完全发挥,围岩出现整体滑动的现象;巷道变形呈现出流变变形的特性,变形量随时间持续增加,持续的蠕变变形超出了支护体的可控范围,最终引起巷道的失稳破坏。     

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。     

甘肃甘谷裂隙泥岩剪切蠕变行为及其修正模型研究

岩石在长期荷载作用下表现出典型的蠕变特性,裂隙泥岩在长期荷载作用下的力学性质不同于完整岩石。对甘肃甘谷赵家窑滑坡钻孔取芯的裂隙泥岩开展剪切蠕变试验,探讨轴向压应力、预制裂隙长度等因素对试样剪切蠕变特征的影响。试验结果表明:轴向荷载和裂隙长度对试样剪切蠕变特征有明显的影响。轴向压应力越大,试样剪切蠕变变形越不明显;裂隙越长,试样剪切蠕变变形越显著。应力较低时,如Cvisc模型等蠕变模型能够较好反映泥岩的蠕变力学特性。而在加速蠕变阶段,大多数模型却不能准确体现泥岩蠕变曲线的非线性变化。改进的西原模型克服了传统模型不能对非线性蠕变特征进行描述的缺点,且模型参数较少,能较好地适用工程软弱岩体。不同载荷作用下泥质软岩试样剪切蠕变过程中,裂隙泥岩剪切破坏带形成表现为渐进与突发相结合。泥岩的剪切蠕变力学模型可解释泥岩滑坡的多种现象,边坡潜在滑移带内泥质软岩发生的剪切蠕变则是泥岩滑坡的内在诱因。     

隧道大变形机制及处治关键技术模型试验研究

大变形是隧道建设中无法完全避免的灾害之一,发生后若处治不当极有可能出现多次换拱甚至塌方等二次灾害。通过相似模型试验,采用自行设计的隧道模型开挖装置和围岩内部位移监测装置,研究了隧道开挖和埋深增大过程中围岩渐进性破坏过程及位移和应力变化规律,揭露出预防隧道大变形的重点支护部位,并进一步研究了大变形出现后处治过程中衬砌的破坏规律,明确了大变形处治时的支护措施。试验结果表明：（1）隧道产生大变形过程中,拱顶与拱底的变形量大于拱腰与拱脚的变形量,且随着埋深增大,差值逐渐增大;（2）大变形产生后隧道拱顶径向和切向应力值均减小,而拱脚切向应力值大幅上升;（3）更换变形拱架时,更换位置附近衬砌拱顶处可能出现张拉破坏,拱腰处可能出现剪切破坏,因此,大变形处治时需保留两侧衬砌的临时钢支撑,必要时需增设底部横支撑或临时仰拱。该研究结果有助于得到大变形发生时和发生后处治时的防控重点,为大变形的预防及安全处治提供指导和参考。     

引水隧洞膨胀性围岩的稳定性分析

膨胀岩在实际工程中通常表现为围岩随时间的推移大量向洞室内塑性挤出或底板大量隆起,最终导致洞室支护和围岩产生裂损或破坏。山西万家寨引黄入晋工程南干线7号隧洞地层特点除砂岩与泥岩互层外,膨胀岩共有3～4层,且斜穿隧道。通过对隧洞开挖及支护过程应用考虑膨胀岩影响的粘弹塑性有限元进行分析,得出膨胀围岩对隧洞及支护结构的受力及稳定性的影响。建议在通水运行过程中密切监测其变形、应力应变、渗透压及外水压力的变化规律,以确保工程的安全运行。     

Anisotropic Deformation of a Circular Tunnel Excavated in a Rock Mass Containing Sets of Ubiquitous Joints: Theory Analysis and Numerical Modeling

Determining anisotropic deformation surrounding underground excavations for tunnels is an intuitional task that involves many difficulties due to the inherent anisotropies in the strength and deformability of natural rocks. This study investigates joint-induced anisotropic deformation surrounding a tunnel via a numerical simulation that accounts for the mechanical behavior of intact rock, the orientations of joint sets, and the mechanical behavior of joint planes; this numerical simulation can model the complete stress–strain relationship with anisotropic rock mass characteristics. Simulation results demonstrate that the well-known excavation-induced stress variation–decrease in the radial component and increase in the tangential component–decrease shear strength and increase shear stress for the joint plane tangential to the tunnel wall, resulting in joint sliding failure and considerable shear deformation. This joint sliding failure and significant shear deformation account for the joint-induced anisotropic deformation surrounding a tunnel. When a rock mass has two joint sets with unfavorable joint orientations, the area with joint sliding failure can deteriorate mutually, resulting in large anisotropic deformation. Additionally, for a rock mass containing three joint sets with well-distributed orientations, joint sliding in various joint sets and associated stress variations can counter balance each other, resulting in less anisotropic deformation than those of rock masses containing one or two joint sets.     

山区隧道穿越韧性剪切带的地质条件探讨

研究了山区铁路隧道穿越脆韧性剪切带(断裂带)及与其次生的韧性剪切带时设计及施工围岩分级问题。从几何、小构造、运动形迹、组构特征、构造岩、糜棱岩、同变形变质及机械作用等方面探讨韧性剪切带特征,从宏观、微观、野外研究及测试、施工类比总结其围岩分级,对比韧性剪切带(脆韧性及韧脆性)与节理密集带内岩体的工程性质及工程设计的围岩分级的异同。确定了山区隧道通过韧性剪切带时应单独研究这种无明显破裂面围岩带的分级评价因素、评价结论和围岩分级原则,设计和施工需特别注意。可供构造带复杂山区类似工程参考。