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。     

基于量测位移的隧洞围岩弹性抗力系数反演方法

在水工隧洞工程中,岩石弹性抗力系数K反映了岩石弹性抗力的大小,是设计环节中需要确定的一个极为重要的基础计算参数。水工隧洞工程中需用水压法试验测定弹性抗力系数,由于水压法测定抗力系数不仅耗时、费工、且试验工艺复杂。本文通过对比分析弹性状态下深埋圆形隧洞开挖支护与水压法试验力学效应关系,提出一种基于量测隧洞位移的围岩抗力系数的反演方法,该法可根据量测隧洞位移直接反演得到弹性抗力系数。结合北京市南水北调配套工程南干渠工程试验段工程实践,对浅埋水工隧洞位移进行监测,利用提出的反演方法,得到了隧洞围岩的弹性抗力系数。提出的反演方法为复杂水工隧洞不同围岩应力状态问题的弹性抗力系数反演提供参考和借鉴。     

十三陵大坝弹性参数反演与稳定性评价

为了掌握十三陵水库大坝在奥运铁人3项赛事期间受动态荷载和环境条件影响的力学效应和坝体的稳定性,基于奥运建筑荷载（建造看台和临时设施）响应的现场实测变形信息,利用正交设计反分析方法,对坝体黏土斜墙、砾质粗砂和砂质垫层3个主要土层的弹性模量进行了反演,采用反演得到的综合弹性模量对坝体受奥运建筑荷载及赛期动态加卸载过程进行了数值仿真分析。结果表明,大坝在赛期产生的最大沉降量在7.4 mm左右,最大水平位移不超过1 mm;大坝始终处于安全稳定状态,无剪切破坏和张拉破坏现象。现场坝坡测点变形监测值与数值模拟结果比较接近,表明基于实测位移反演参数的数值模拟能超前做出科学预测和定量评价。     

西甘池隧洞围岩参数反演与支护优化

取西甘池隧洞HD12+570-HD12+770段建立FLAC3D模型,模拟隧洞分段开挖及支护,将围岩参数E、μ、C、φ进行正交设计并代入模型,计算洞顶沉降量与两壁水平收敛值,与所选断面实际监测数据对比,得出与实际变形最为接近的围岩参数组合,在后续断面变形监测值中进行验证,计算误差满足精度要求,表明反演所得Ⅲ类围岩参数E=0.77×10~4MPa、μ=0.29、C=1.3MPa、φ=39°和Ⅳ类围岩的力学参数E=0.26×10~4MPa、μ=0.33、C=0.5MPa、φ=35°是可靠的。在此基础上,以锚杆排距为研究对象,对Ⅳ类围岩锚喷支护进行优化。结果表明,原锚杆支护设计方案偏于保守,锚杆排距可适当加大。     

涔天河工程1号泄洪洞出口边坡与隧洞联合变形分析

涔天河水利枢纽扩建工程1#泄洪洞出口段开挖断面大、坡度较陡、围岩风化程度高、洞口偏压严重。由于受持续强降雨影响,隧洞出口段上半洞开挖完以后,洞口边墙围岩及洞顶仰坡出现了系统性拉裂现象,导致工程停工。为尽快恢复施工,保障水库按时下闸蓄水,在原有支护措施基础上提出了一系列增强加固支护措施,并增加洞室及边坡变形监测。通过建立能反映真实施工过程的大型三维计算模型,利用初期变形监测数据,对围岩的变形参数进行初步估计,并预测了隧洞出口下半洞及出口明渠基础开挖产生的变形情况,初步研究表明,在初设与增强加固支护措施的保护下,洞口及边坡的总体安全性可以得到保障,研究成果促进了工程恢复施工。而后,结合新增的由于隧洞出口下半洞及出口明渠基础开挖产生的变形监测数据,对施工开挖进行了全过程反演分析,获得了更为准确的岩土体变形参数,变形监测数据与数值模拟结果吻合良好,说明了反演分析的可靠性。最后,对工程永久衬砌施工进行模拟,计算了工程完工后永久衬砌新增变形量,并对衬砌应力进行了安全校核。本文研究成果对工程快速恢复施工及水库按时蓄水泄洪产生了较为重要的作用。     

深基坑复合喷锚支护技术探讨

工程实践表明,复合喷锚支护是一种有效的深基坑支护型式,它可用于土层条件差、安全性要求高、变形控制严格的基坑工程中。复合支护中锚杆为主要受力构件,竖向花管为辅助受力构件,可起到限制、减小土体变形的作用。由于竖向注浆花管的加入,花管及注浆体抗剪作用加强,使基坑的整体稳定性得以大幅度提高。探讨了复合喷锚支护整体稳定性分析方法,建议将滑动区域分为加固土和原土两部分,将锚管注浆形成的注浆体等效为一层加固土,按喷锚支护模型计算复合喷锚支护整体稳定性。     

软岩巷道锚注支护时机优化研究

锚注支护技术是维护软岩巷道围岩稳定的一种有效方式,支护时机的选择对巷道支护效果具有很大的影响。根据对破裂软岩注浆加固后的力学特性分析,运用FLAC2D软件的应变软化本构模型,对软岩巷道最佳锚注支护时机进行了数值模拟优化分析,结果表明：随着注浆时机的滞后,浆液在围岩中的流动渗透范围逐渐增大,但注浆加固后的围岩强度却逐渐降低,巷道围岩变形表现出“先减小、后增大”的趋势。据此,提出了一种综合运用数值模拟优化和现场监测确定巷道最佳锚注支护时机的方法,并应用于工程实践,取得了良好的效果。研究成果对软岩巷道锚注支护施工和设计具有指导意义     

智能灌浆设备在素填土注浆加固中的应用研究

研发一种智能灌浆设备进行素填土注浆加固试验,研究了注浆深度对注浆施工参数的影响;分析了不同注浆方法的适用性和功效,探索了浆液的实际扩散情况。研究发现：注浆压力和注浆深度、注浆方法、注浆次序密切相关,可根据项目前期注浆试验结果确定注浆参数;浆液基本沿着土层内某些薄弱通道扩散,形成了多道浆脉;利用智能灌浆设备进行注浆加固试验,可快速地确定合适的注浆参数,为后续施工提供技术指导。     

锚杆支护圆形隧洞的等效强度参数及可靠性分析

通过采用均匀化方法,研究了圆形隧洞的锚杆支护特性,将高密度支护模式下的岩石和锚杆复合体考虑成均匀、连续、强度参数增强的等效材料,简化了岩石和锚杆间复杂的力学耦合问题。通过定义锚杆密度参数来反映不同支护模式的特性,建立锚杆密度参数与Mohr-Coulomb屈服准则中主要参数之间的关系,推导出等效弹性模量、等效黏聚力和等效内摩擦角的表达式,并分析比较了隧洞在支护前后的位移情况。结合可靠性理论,采用容许极限位移量作为失稳判据,分析了隧洞在支护前后的可靠性指标与破坏概率,结果表明,文中提出的方法简单可靠,锚杆支护对隧洞的位移限制效果明显,可显著提高隧洞的可靠性。     

软弱泥质砂岩地层中输水隧洞稳定性研究

泥质砂岩属于黏土岩,具有典型的遇水软化特征。在泥质砂岩富水地层中进行隧道开挖是地下工程的一个挑战性问题。研究了围岩软化与未软化条件下泥质砂岩地层中输水隧洞的稳定性和支护时间。首先,介绍了泥质砂岩遇水软化的力学试验结果;然后,采用基于Hoek-Brown强度准则的岩体参数评价方法,评估泥质砂岩在围岩软化与未软化条件下的力学参数;再后,以兰州水源地引水隧洞为依托工程,采用数值模拟方法对泥质砂岩隧洞软化与未软化工况的围岩稳定性进行了计算分析,得出泥质砂岩遇水软化对隧洞安全性存在显著影响;最后,采用位移收敛法,研究了泥质砂岩软化与未软化工况中,保障隧洞施工安全的合理支护时机。研究表明,泥质砂岩未软化工况中,可考虑隧道围岩初期支护在距掌子面4～5 m位置实施;而在泥质砂岩遇水软化工况中,初期支护建议在掌子面开挖后立刻支护。研究成果可为泥质砂岩地层隧洞的安全施工提供依据。     

隧洞工程弹性参数反演的可辨识性及量测优化布置探讨

探讨依据完备的量测信息开展弹性参数反演的可辨识性及量测的优化布置,对于指导岩土工程反演实践具有重要的实用价值。利用平面弹性复变函数方法和一般弹性理论,推导出任意形状隧洞的位移、应力解析表达式,基于隧洞围岩位移、应力的解析解,依据参数可辨识条件和量测优化布置的最灵敏原则,探讨了地下隧洞工程弹性反演参数的可辨识性及测点优化布置,并通过算例进行了验证。研究表明,依据完备的量测信息开展弹性反分析,只要测点布置方式适当、反演参数满足相应的限定条件,可同时惟一辨识出5个参数P、Q、M、E、μ。参数反演的可辨识性受隧洞形状复杂性的影响,随着隧洞复杂性的提高,参数可同时惟一辨识需满足的限制条件大为减少,对测点布置方式的要求也会降低。工程实践中,为避免量测数据的少量误差导致反演计算结果的大幅度波动,测点(线)应根据最灵敏原则优化选择各反演参数的灵敏系数最大的测点(线)组合进行量测布置。     

山区斜坡地段扶壁式挡墙倾斜加固的设计

以重庆某道路扶壁式挡墙倾斜事故为例,根据地质条件、土层岩土参数、挡墙设计参数及施工过程反馈的信息,对倾斜段挡墙进行复核,根据复核结果和挡墙的实际变形特征,分析了导致该段挡墙倾斜的可能原因,提出了采用预应力锚索对扶壁式挡墙整体稳定性加固的预防措施及地基注浆加固处理方案。     

渗流条件下隧道锚注复合围岩体的解析方法

锚注法是富水隧道工程中常见的地层加固和止水工法,目前仍缺乏可以同时考虑锚杆-围岩力学相互作用和注浆防水抗渗作用的解析理论。以径向锚注复合围岩体为研究对象,基于达西定律和应力均布法将注浆加固后围岩内的孔隙水压力以及锚杆对围岩的相互作用力代入被加固围岩的应力平衡方程,构建出锚注复合围岩体微分方程,求解出复合围岩体及原岩的渗流场、位移场、有效应力场及锚杆轴向应力场的解析解并进行有限元验证和对比。对比结果表明：解析结果与有限解结果一致;与仅注浆的工况相比,锚注加固可改善围岩的应力状态。然后,基于所得解析解,揭示并讨论了锚注加固参数、支护力、二衬抗渗压力等参数和条件对隧道锚注复合围岩体安全系数的影响规律。规律指出：锚注范围、锚杆密度因子及支护力的增加使安全系数分别以先快后慢、准线性及先慢后快的趋势提高;二衬抗渗压力的增加虽然可减小涌水量,但不利于隧道的稳定。最后,基于所提出的解析解给出了锚杆的参数优化设计方法并给出算例。上述研究成果可为渗流隧道的锚注加固设计提供解析理论参考。     

软岩条件下锚注加固锚杆布置参数与注浆浆液参数的确定

结合软岩巷道支护的基本原则和锚杆加固的压力拱理论,介绍了软岩巷道全断面锚注加固,并结合实际研究了锚杆加固中锚杆的布置参数和注浆参数。     

紧邻边坡建筑物基础软托换及边坡喷锚网加固技术

详细地介绍了采用花管注浆的软托换技术,对紧邻边坡的建筑物地基进行加固处理,对开挖的边坡采取喷锚网结构支护这一技术在工程中的加固机理。实践表明,花管注浆联合喷锚网支护这种复合的加固方法,不仅能对紧邻边坡的建筑物的基础进行托换,还能对边坡进行有效地支护,保证了边坡的稳定性和建筑物的安全性,其设计方法具有一定的参考价值。     

软岩巷道可缓冲渐变式双强壳体支护原理及实践

深部软岩巷道承受高地应力作用,导致围岩产生流变大变形是影响其安全稳定的重要因素。以阳煤一矿西大巷工程为例,分析软弱围岩变形破坏机制;建立能够反映工程地质状况及初始设计方案的有限元模型,以现场监测变形数据和钻孔窥视围岩变形破坏深度为基础,反演获取围岩力学参数和蠕变参数。提出适合软弱流变岩体的可缓冲渐变式双强壳体支护方法,即根据围岩破坏情况进行分层注浆加固,并在最外部架设可缩性U型钢支架,形成可变形缓冲层。建立新型支护方案的有限元模型,利用围岩反演参数预测围岩变形情况,并通过与现场监测数据对比分析,验证了所提支护方案的有效性。     

正交法在注浆材料优化设计中的应用

应用正交试验设计法，对粘土固化浆液的配比进行了优化，得到了最佳配比，并将其应用于洛湛铁路益娄段岩溶路基的注浆加固，收到了很好的整治效果。     

砂土介质注浆渗透扩散试验与加固机制研究

设计了一套可视化砂土介质恒压注浆渗透扩散与加固模拟试验装置。选用普通硅酸盐42.5水泥（OPC）、超细硅酸盐水泥（MC）、超细硫铝水泥（MSAC）及自主研发材料（EMCG）,对砂土多孔介质进行了注浆渗透扩散与加固试验。研究了细砂土体不同浆液、注浆压力工况下扩散距离、注浆量随时间变化规律,以及不同浆液、砂样级配及注浆压力对加固效果影响。采用极差分析法确定了加固效果主控因素,获得了加固体宏观破坏模式,通过SEM分析了岩-浆界面微观加固模型,揭示了不同材料加固效果差异的本质原因。研究结果表明：注浆材料与颗粒质量分数主导着细砂土体可注性,注浆压力对可注性提高程度不大,EMCG可注性最强,MC、MSAC次之,OPC最差;在完全可注情况下,砂样级配越细,加固体强度改善效果越明显;EMCG材料加固体7、28 d强度明显高于MSAC、MC、OPC加固体;EMCG的7 d加固体强度达到28 d参数70%以上;注浆材料主导着注浆加固效果,EMCG对不同级配砂土体注浆加固效果显著优于其他水泥类材料,OPC最差;注浆后EMCG浆-岩界面生成的致密C-S-H凝胶体能够有效提高胶结强度。最后从注浆材料选型、注浆过程控制、钻孔布置方面对砂土层渗透注浆设计方法提出了工程治理改进建议。     

一种土的非线性弹性本构模型参数的反演方法

旨在提出一种土的非线性弹性本构模型参数反演的方法。以现今普遍实行的地基载荷试验为基础,依据遗传算法的组合优化理论,采用正演计算和遗传算法优化相结合的方式,建立了土层非线性弹性本构模型参数反演的方法;并依据某黄土场地地基载荷试验数据,实施了黄土土层非线性弹性本构模型参数反演的全过程。计算结果表明,所建立的方法可以实现土层非线性弹性本构模型中相互关联的多个参数的组合优化,并在对初始值要求较低的情况下,可以获得良好的参数反演精度。从而为土的变形特性分析和土与其中及相邻结构的共同作用分析,提供了较好的土体本构模型参数的确定方法。     

基于蓄水期反演的锦屏一级拱坝极限承载力分析

锦屏一级拱坝坝高为305 m,是世界上最高的拱坝。但是,其坝基岩性较差,f5、f8等断层在建基面出露,基础严重不对称等地质复杂性给锦屏一级拱坝的极限承载力分析评价带来很多不确定性。基于变形加固理论,使用三维非线性有限元程序TFINE,采用直接法和正倒垂测点监测值反演蓄水期坝体混凝土弹性模量和基础变形模量,并验证反演参数在锦屏一级蓄水期预测和极限承载力分析中的适用性。使用反演参数,对坝体正常运行的应力、位移进行仿真分析;采用屈服区、不平衡力、塑性余能范数、整体稳定性安全系数等指标,基于工程类比法,全面评价锦屏一级拱坝的极限承载力。对比反演参数和设计参数的计算结果,验证了设计参数的可靠度。结果表明,锦屏一级拱坝起裂安全系数K1为2倍超载,极限承载安全系数K3为8倍超载,锦屏一级拱坝具有较高的极限承载力,整体稳定性是有保证的。