洞群模型试验中微型多点位移计的设计及应用

地质力学模型试验是研究大型地下洞室群围岩稳定性状况的重要方法,但是,许多制约因素使得这类试验难以达到预期效果,其中包括试验过程中物理量的量测问题。以双江口水电站地下洞群稳定性为研究对象,开展了模型试验为准确量测三维应力状态下洞群模型试验中围岩内部的微小位移,设计、制作和安装了高精度微型多点位移计,获得了围岩在开挖全过程中的位移变化规律曲线,同时,还开展了与模型试验相对应的数值模拟。将试验结果与数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明,设计成功的微型多点位移计能够广泛应用在各类岩土工程模型试验之中。     

断面测量系统在良心隧道右线偏压段围岩变化量测中的应用

在隧道及地下工程施工中,一般采用类似多点位移计、测缝针、各种形式的收敛计等再结合其他测量仪器对围岩变化进行量测分析。本文重点介绍利用徕卡断面测量系统对围岩净空位移变化进行量测技术,首先使用断面测量系统机载软件自动采集隧道围岩净空位移变化的外业数据,然后将数据传输到计算机,再利用隧道断面测量系统后处理软件进行自动的数据分析处理,快捷方便地获得围岩变化量测结果,并以准确、直观的图形、报表数据输出,及时为围岩稳定性判断和指导施工提供有力的依据。     

黄土隧道初期支护性能分析

以定西隧道为背景,利用有限元软件进行模拟。通过监控量测获得典型断面围岩的变化规律,并将数值模拟和现场量测结果进行对比分析,得到隧道在开挖扰动后初期支护的受力状态,给出隧道初期支护的优化参数,研究将对该类地区黄土隧道的初期支护提供建议和方法。     

隧道施工对黄土松动区内力和位移影响研究

为了掌握黄土隧道施工过程对围岩松动区内力和位移变化的影响,在天定高速定西黄土隧道施工时,在围岩松动区内埋设了锚杆轴力计、单点位移计和土压力盒,以测得的数据为基础,并结合现场施工状况,对黄土隧道施工各阶段围岩松动区内力和位移变化规律进行了分析和总结。根据所得的变化规律对隧道的后期施工措施进行了相应的调整,这些规律对同类黄土隧道具有指导作用和借鉴意义。     

安徽龙瀑隧道开挖地应力释放率研究

安徽省龙瀑隧道是我国首次采用半明半暗通透肋式拱梁异型结构,其隧道开挖是在山体浅表层进行暗洞开挖,既要考虑到隧道围岩本身的稳定性又要注意到隧道所在山体整体的稳定性.隧道开挖后地应力到底是如何释放的?目前在国内是个空白,研究通过资料整理,对位移变化较明显的两支多点位移计进行重点分析;根据经验反馈法分离出控制性结构面张开的位移;并通过数值模拟建立一个目标函数,将数值模拟中监测点的位移结果与修正后的实测监测点位移结果进行对比,最终确定了龙瀑隧道的最佳地应力释放率在60％～70％之间[1].     

围岩内部多点位移量测的新方法

地下工程围岩内部多点位移量测一直是一种投资大且较为复杂的量测项目。利用收敛计进行围岩内部多点位移量测的方法 ,具有简单方便、投资少、精度高等优点 ,是一种非常实用的量测方法     

初期支护对软岩隧道围岩稳定性和位移影响分析

软弱岩体隧道开挖后,围岩变形具有异常显著的流变性。基于Poyting-Thomoson模型,对隧道围岩位移进行了粘弹性解析分析,根据所得出的解析解,结合渝（重庆）沙（长沙）高速公路石龙隧道位移监控量测实践,对初期支护后隧道围岩变形特征量进行了分析对比,结果表明,理论曲线能较好地反映围岩实际位移变化特征。最后通过将支护前后围岩受力状态与单轴和三轴应力状态岩石蠕变进行类比,得知初期支护在一定程度上减小了围岩的最终变形量,可以有效地抑制隧道围岩的变形速率。其结果为确定合理的二次支护时机提供了理论依据,对同类隧道的施工支护具有很好的指导意义和较高的参考价值。     

开采倾斜近地表矿体地表及围岩变形陷落的模型试验研究

以某铜矿矿山一典型地质剖面为原型,运用物理概化模型试验,采用网格数字摄影测量方法量测模型剖面全场位移,分析了开采倾斜近地表矿体地表及围岩变形陷落随不同开挖步的变化规律。在模型试验中,开挖-75 m～-45 m之间的矿体,围岩扰动范围及地表下沉位移逐渐增大,第7步开挖完成后,采空区上方岩体开始出现离层,第9步开挖完成后,地表1～4测点之间形成一明显沉陷盆地,最大下沉位移达825 mm。模型试验研究的结果与现场及离散元数值计算结果基本吻合。     

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。     

军都山隧道黄土试验段垂直位移观测及分析

本文应用WRM-3型多点位移计在军都山大跨度浅埋黄土隧道施工中进行拱顶垂直位移监测并成功地预报了隧道大塌方。重点分析了2号孔位移全过程的实测结果。位移与施工,地中相对位移与地面下沉等的关系也进行了初步分析和讨论。认为在此种工程条件下垂直位移监测是确保隧道稳定安全施工的重要一环。得出了上部(约1/3洞高)开挖最大垂直位移量是在隧道开挖超过观测孔1.2倍洞径内发生,并且下部落底开挖垂直位移变化不大,仅相当于上部开挖最大位移量的30-40％的结论。     

水-力耦合作用下三趾马红土围岩变形特征研究

以地下水位线以下的石楼隧道典型三趾马红土围岩段为例,通过现场监测对三趾马红土围岩的体积含水量、孔隙水压力、围岩应力（土压力）、拱顶沉降与水平收敛进行了分析。在此基础上,通过原位大剪试验获得了可靠的围岩抗剪强度参数,并建立了隧道三维有限元数值模型,分别对考虑水-力耦合效应、不考虑水-力耦合效应的三趾马红土围岩变形规律进行了探讨,分析了孔隙水压力随着隧道开挖的变化和三趾马红土围岩位移场、应力场受水-力耦合效应的影响程度,并提出了围岩破坏变形机制。结果表明:（1）实测拱顶下沉大于围岩水平变形,围岩应力可分为增长期（ < 20d）、调整期（20~60d）、稳定期（>60d）3个阶段,且整体应力水平较高,下台阶含水量大于上台阶,孔隙水压力经历了由负变正的过程。（2）现场剪切试验所测围岩的黏聚力为64.0kPa,内摩擦角为27.7°。（3）数值分析表明,隧道开挖后孔隙水压力场变化十分明显,这是由地下水流速场的改变引起的,水力坡降在衬砌面附近最为明显,渗透动水压力导致土体产生一定的渗透变形;考虑水-力耦合后围岩剪应力、最大剪应变、拱顶沉降、水平收敛、底板隆起均较大。（4）受开挖及支护的影响,地下水产生渗流并依次经过拱顶、边墙,最终汇集于隧底;受开挖、地下水渗流的影响,围岩节理裂隙进一步扩张,成为地下水良好的运移通道;围岩的有效应力随着孔隙水压力的减小而增大,围岩的力学强度在土体趋于饱和状态时骤降,反过来,高有效应力、低围岩强度以及贯通性节理裂隙三者共同改变着地下水渗流场的状态。（5）为保障围岩整体稳定性,建议及时排出隧道底部积水并施做仰拱。     

分岔隧道模型试验与数值模拟超载安全度研究

超载试验能得到隧道的超载安全度,通过大型地质力学模型对分岔隧道进行了超载试验,模拟了分岔隧道在不同侧压系数下围岩的变形、应力分布和破坏情况。同时,应用三维数值分析软件对模拟区域进行了模拟。模型试验和数值模拟结果分析表明,随着侧压系数K的增加,分岔隧道的侧向位移增加,拱顶位移由向下变为向上;当侧压系数为K=3.5时,应力达到极限;当侧压系数K≥4.0时,位移突变,最终最大位移达到100 mm;塑性区骤增,隧道拱顶围岩开始开裂,且有块体掉落。分岔隧道的拱顶和两帮是最易破坏的区域,隧道超载安全度为3.5。     

大断面小净距大帽山隧道现场监控量测及分析

结合大帽山隧道的工程实践,通过围岩内部位移、拱顶沉降、围岩压力和锚杆应力的现场监控量测工作,研究复杂地质条件下大断面小净距隧道双侧壁导坑法施工时围岩的稳定性。阐明分导洞开挖时围岩内部位移的变化趋势、特点及位移场,相邻导洞施工时的相互影响,围岩与支护结构间的相互调整变形机制,拱顶沉降捕捉的变形小于围岩实际变形的原因,支护结构的压力和锚杆应力状态及其与围岩位移的变化关系。监测结果表明,大断面小净距隧道Ⅴ级围岩段的破碎带采用现有的施工工艺和支护参数是可行的,围岩变形可控,支护结构的支护效果显著,围岩基本稳定。研究的方法、分析和结论可为类似条件下隧道工程的设计、施工、监测和进一步的理论研究提供参考和借鉴。     

邻近既有隧道的新建大断面隧道施工参数优化分析

结合大帽山隧道Ⅴ级围岩段施工参数优化的试验,通过爆破震动速度、岩体声波波速和围岩内部位移的现场监控量测工作,研究既有隧道旁新建大断面隧道双侧壁导坑法施工时岩体的损伤程度和范围,进而优化导洞的单循环进尺、爆破参数等施工参数。研究表明：推进式往复爆破作业的双侧壁导坑法开挖的隧道必然导致围岩产生一定程度的损伤、破坏,尤其是小净距隧道间的中夹岩岩墙;双侧壁导坑法开挖的大断面隧道,控制岩体的损伤程度和损伤范围是相互矛盾的,通过减少单循环开挖进尺来减少爆破震动速度,只能控制岩体的损伤范围,多次的重复爆破导致损伤岩体的损伤程度更大,极大影响围岩稳定;相反,通过适当加大单循环开挖进尺来控制损伤程度的同时,过大的爆破震动速度导致损伤范围更大,极大影响邻近既有隧道的安全运行。利用现场监测数据,通过在UDEC软件中实现的岩体各向异性爆破损伤模型,计算导洞推进式开挖全过程围岩压力的变化和既有隧道支护结构的状态,综合考虑各种因素,优化得到折中的单循环进尺。     

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。     

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。     

基于遗传算法的隧道围岩变形稳定可靠性分析

由于隧道的开挖,隧道围岩的初始应力状态将发生变化,围岩发生卸荷变形,并可能导致隧道的失稳。为了研究隧道开挖后围岩变形的可靠性,建立了隧道围岩变形可靠度指标计算模型,并用遗传算法进行求解。应用本文方法对一高速公路隧道围岩变形的可靠性进行分析。从结果可以看出,围岩的潜在破坏区域出现在拱顶和两侧拱肩区域,从这些区域的可靠度指标和破坏概率值可以看出,该隧道毛洞的拱顶下沉和拱肩收敛可靠度都满足不了规范的要求,要及时进行支护。     

基于数字散斑技术的深埋隧道围岩岩爆倾向相似材料试验研究

利用相似材料模拟方法,借助数字散斑观测技术,对深埋隧道围岩岩爆倾向进行试验研究。分析考虑材料强度、开挖速度和支护作用影响下的岩爆发生和破坏规律,寻求岩爆发生与深埋隧道变形破坏之间内在的联系。试验结果与现场实际发生岩爆强度较高的岩石类型花岗岩、闪长岩等相比,破坏特征相似,且围岩强度越高,岩爆发生可能性越大;在高地应力状态和完整岩体中开挖速度对岩爆的发生影响较大;锚网支护对隧道围岩变形有一定的控制作用,也可一定程度上避免岩爆发生。支护试验结果与现场实际支护效果一致,随支护强度提高,隧道抵抗力增加,整体变形减小、稳定性提高。所得试验结论为深埋隧道的合理设计和安全开挖提供技术指导和理论依据,对革新深埋隧道开挖技术和支护技术具有重要的意义     

Optimization Methods of Blasting Parameters of Large Cross-Section Tunnel in Horizontal Layered Rock Mass

For large cross-section tunnel in horizontal layered rock mass, blasting excavation often causes serious overbreak and underbreak. In this study, blasting excavation tests of tunnel upper face were conducted, blast-induced excavation damage and the influence mechanisms of weak beddings and joints were analyzed based on the Panlongshan tunnel. In order to achieve fine excavation, the cut mode of “center holes and four-wedge cutting holes”, the blasthole pattern of “empty holes, long holes, short holes and additional relief holes”, the maximum single-hole charge and the air-deck charge structure were proposed. Compared with the damage characteristics, overbreak and underbreak, and deformations of surrounding rock before and after optimization, the latter was better in tunnel contour formation and surrounding rock stability. The results show that after optimization, the large-area separation of vault rock mass is solved, the step-like overbreak of spandrel rock mass is reduced and the large-size rock block and underbreak are avoided. The maximum linear overbreak of vault, spandrel, and haunch surrounding rock is decreased by 42.3%, 53.7% and 45.1%, respectively. The underbreak at the bottom of the upper face is reduced from ??111.5 to ??16.5 cm. The average overbreak area is decreased by 61.1%. The surrounding rock displacement after optimization finally converges to the smaller value. The arch crown settlement and the horizontal convergence of haunch are reduced by about 21.6% and 18.3%, respectively. Furthermore, from the completion of blasting excavation to the stabilization of surrounding rock, it takes less time by using the optimized blasting scheme.

     

断层破碎带隧道突水突泥灾变演化模型试验研究

为研究断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突泥灾变演化过程,建立了三维地质模型试验系统,以江西永莲隧道F2断层突水、突泥灾害为例,通过大量的材料配比及物理力学性能参数测试,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及正常围岩相似材料,对隧道突水、突泥灾害进行研究。试验结果有效地揭示了无支护条件下断层破碎带隧道的洞周位移、渗流压力、应力-应变以及突出物质量等特征参数对时效性的响应规律。随着时间的增长,渗流压力整体呈上升趋势,越靠近开挖面其波动范围及幅度越大;突出物质量在发生突水、突泥灾害前出现短时减小后迅速增加;洞周围岩拱顶以竖向位移为主,而拱腰以水平位移为主;在相同相应力状态下,拱腰位置应变比拱顶位置大。将试验灾变特征与现场实际演化过程进行对比分析,两者结果较为吻合。该系统可广泛应用于其他地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。