Design of tunnel linings in a creeping rock

Summary The effect of long term rock deformation on lining pressure is considered using different concepts of rock behaviour. These include the conventional characteristic-line or convergence-confinement method, modified to allow for rock ageing, and lining-rock interaction methods using models of linear-viscoelastic, linear-elastic linear viscous, and linear elastic non-linear viscous rock behaviour. Calculations of lining pressures show that the former tends to underestimate, compared with the latter.This paper was presented at the 28th US Symposium on Rock Mechanics in Tucson, Arizona, July 1987.     

软弱围岩隧道取消系统锚杆的现场试验研究

在软弱围岩隧道中,提出初期支护结构由钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆+纵向连接筋组成,即取消系统锚杆用钢架联结处的锁脚锚杆代替。以包家山隧道为依托工程,采用现场试验的方法,选取2个试验段,进行锁脚锚杆取代系统锚杆后,有、无拱部锚杆的对比试验研究。对比试验的内容包括：隧道初期支护的净空收敛、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力等。研究结果表明：2个试验段初期支护变形趋于稳定,结构受力安全,说明取消系统锚杆不影响初期支护结构的安全与稳定;拱部锚杆有受拉,也有受压,但受力都不大,最大拉应力仅为钢材极限强度的11.8%,其支护作用不明显;锁脚锚杆大部分受拉,最大值达到191 MPa,钢架支护作用明显,在支护体系中发挥着重要作用。取消系统锚杆减少了施工工序,降低了工程造价,缩短了工序循环时间,有利于及早封闭围岩以形成完整的支护结构。经济价值和社会效益显著。     

在裂隙岩体中开挖隧道的双场耦合蠕变分析

运用黏弹性断裂、蠕变理论,对裂隙围岩在开挖时的蠕变现象进行分析,建立了隧道开挖的双场耦合蠕变模型。运用Laplace转换,推导出围岩的径向位移函数表达式,分析了应力卸荷、渗流力的作用以及节理裂隙分布对径向位移的影响。同时,利用FLAC中的FISH语言编写了FISH函数,将计算隧道模型的数值及解析结果与实测数据进行了比较。计算结果表明,径向最大位移变化量并不在主应力最大方向,也不在隧道顶端,而是受地应力分布、渗透水压和节理分布综合作用形成偏压位移,其结果可为隧道支护提供借鉴。     

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。     

软弱破碎围岩隧道炭质页岩蠕变特性试验研究

采集贵广铁路天平山隧道典型软弱破碎围岩岩样,在室内开展三轴常规压缩和三轴压缩蠕变试验。基于岩石试验成果,分析炭质页岩的蠕变力学特性,低应力水平条件下岩石仅出现减速蠕变和等速蠕变阶段,在更高的应力水平条件下,岩石并未出现加速蠕变的现象,但围压在一定程度上提高岩石的屈服强度,弹性模量亦有随着围压增加而增大的趋势。据此,建立依托工程炭质页岩蠕变全过程的黏弹塑性应变软化蠕变力学模型,推导该蠕变力学模型在三维应力状态下的本构方程,并确定模型的参数,运用最小二乘法对模型的参数进行辨识。通过与试验曲线对比显示,所建蠕变模型能够描述依托工程炭质页岩的蠕变力学特征,可以用来研究该隧道软弱破碎围岩的蠕变性质和稳定性。     

丈八口隧道围岩稳定性分析

结合烟台市丈八口隧道工程实况,利用Ansys工程分析软件对丈八口隧道断裂破碎带和出口的山岩进行稳定性分析,根据计算分析结果,指出了在同一项穿山隧道建设项目中,应根据围岩完整性程度,确定掘进方法和支护形式.这一结论对同类工程具有指导意义.     

某高速公路隧道洞口错落体变形原因与治理措施分析

山区公路建设中,由于隧道洞口位于错落体上,造成隧道施工期间穿越错落体时出现多次冒顶,严重影响工期及施工安全。通过对该隧道洞口变形监测、工程地质条件及有限元数值模拟软件综合分析,研究了该错落体的形成机理、变形特征及变形原因,并在此基础上提出了综合治理措施,有效治理了隧道的冒顶及变形,保证了隧道的最终顺利贯通,从中总结出了薄层及中厚层泥灰岩岩层地段发生错落的影响条件,并提出在隧道洞口位于错落体上时设计施工的注意事项,为业内类似工程提供参考。     

大跨度公路隧道围岩变形的时间序列分析

通过建立一套比较完整的大跨度隧道监测数据时间序列分析方法, 对现场隧道部分断面量测数据进行了时间序列分析, 预测了隧道变形的整体动态规律及隧道系统的长期稳定性, 并提出相关设想和建议。     

深埋隧道地质构造发育段围岩压力的特点

以龙厦铁路象山特长隧道地质构造发育、埋深大于500 m段围岩压力及围岩变形的现场测试资料为依据,对大埋深隧道地质构造发育段围岩压力的特点、变形压力的形成机制等进行了研究。研究表明：大埋深隧道,结构面或褶曲、逆断层发育,但地下水不发育的地段,即使围岩强度较高,隧道开挖后仍可能出现较大的变形;围岩较大变形主要是由于在自重应力和残余构造应力作用下被挤密的结构面在隧道开挖后因侧向限制消除而张开、扩容引起的,受其影响,初期支护将受到较大的围岩变形压力。上述地段围岩压力具有下列特点：（1）地下水不发育区段的围岩压力比地下水发育区段的大;（2）隧道纵向发育向斜的区段,拱顶至拱腰段围岩压力最大,越趋向于向斜核部,拱顶围岩压力越大;（3）发育褶曲的断面,与褶曲轴线垂直方向的围岩压力较大;（4）发育逆断层的断面,与断层倾向相反侧的围岩压力较大,该侧断层面附近的围岩压力最大,对侧断层面附近的围岩压力最小;（5）下台阶的围岩压力比上台阶的小,两者的相对差随上、下台阶施工间隔时间的延长而增大。     

钢管预加固措施对隧洞围岩变形的影响分析

隧道洞口段埋深浅,围岩松散,自稳能力较差,开挖后洞内及地表均出现多条裂缝。经方案比选,采用钢花管对洞顶及两侧部分的地表和隧道地基与拱脚部位进行注浆加固。在注浆加固施工的过程中,隧洞内也同时开挖,几种工序的施工扰动产生叠加,势必对隧道的稳定及安全产生影响。结合工程实践,对洞内开挖及地表注浆工况并结合隧道监测数据进行分析,得出一些初步结论。     

铁矿深埋巷道围岩变形与地应力关系研究

随着大量深埋地下工程的建设,尤其是大型矿山,与巷道围岩稳定有关的各种地质灾害问题突出,因此其一直备受关注。某铁矿巷道埋深450～800m,变形剧烈,局部持续大变形,呈条带状臌出。地应力实测结果表明,矿区地应力总体特征为σv≥σH〉σh,现今水平构造作用明显,最大水平主应力为13-21MPa,接近岩体自重。大变形洞段围岩为裂隙化岩体,强度低,蠕变性明显。有限元分析表明,巷道开挖后在边墙与顶拱和底板交界处产生约40MPa的高应力,造成了围岩变形破坏。后期围岩在高应力作用下产生大变形,其宏观变形破坏特征与软岩相似。另围岩加固与支护发现,普通的挂网喷锚支护已很难适应高应力条件下的岩体大变形。论文基于地应力实测结果,通过对巷道围岩大变形成因机制的探讨以及原加固支护效果的总结,为后期巷道围岩变形破坏的防治提供了参考。     

含软弱夹层层状隧道围岩变形机理研究

堡镇隧道地质条件复杂,局部地段处于高应力区,围岩变形具有变形速度快、变形量大且破坏严重、持续时间长的特征。通过对堡镇隧道左线出口段围岩变形量测资料和掌子面地质素描的比较分析后发现,不论强度高、节理裂隙发育的砂质页岩,还是处于高地应力、强度低、围岩破碎的炭质页岩,掌子面有软弱夹层分布时,其变形破坏程度较相邻段同类围岩严重的多。因此,依据软弱夹层与掌子面围岩的典型组合情况,结合堡镇隧道所揭示的不同围岩室内三轴试验结果,建立了含软弱夹层围岩的力学模型,探讨了含软弱夹层围岩变形破坏的形成演化过程,揭示了高地应力条件下软弱夹层引起围岩变形失稳的机理。     

软弱围岩隧道洞口段失稳机制分析与处置技术

隧道洞口围岩大多为软弱围岩,加之浅埋、偏压等不良地质地形因素的影响,洞口施工过程中易发生边仰坡的滑塌。厦蓉高速公路水都线的瑞坡隧道在进洞后不久就发生围岩失稳,致使仰坡开裂滑塌和洞内支护变形很大。利用FLAC3D软件模拟了隧道施工全过程,从围岩塑性区分布以及位移情况结合现场实际状况分析了隧道仰坡坍塌和支护变形发生的原因,并通过数值模拟优化了CRD法的开挖工序。最后参考数值分析结果结合工程实际提出了有效的治理措施,得到的结论可供今后类似工程参考与借鉴。     

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。     

散粒体矿山巷道围岩的变形规律研究

粉砂状矿体是一种典型的散粒体介质,在这种介质中开挖巷道和在运行过程中的巷道维护都存在很大的困难。掌握巷道围岩的变形规律是寻求合理的巷道施工原则和支护方案的前提条件。以金山店铁矿的中段穿脉巷道及其围岩（仅指粉砂状矿体部分）为研究对象,采用多种监测手段对巷道及其围岩的受力和变形进行了较长时间的观测,通过对监测资料的详细分析,得出了粉砂状矿体作为巷道围岩而具有的独特的变形规律。     

软弱围岩隧道施工全过程非线性有限元分析

结合赣州-龙岩铁路某单线隧道软弱围岩地质情况,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道湿喷纤维混凝土支护结构施工过程进行了数值模拟,分析了围岩和支护结构体的非线性力学行为的应力场分布、位移场,围岩塑性区分布特征,指出台阶步开挖时拱顶下沉、底板上鼓、墙腰收缩的主要控制因素.     

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。     

软弱围岩中偏压隧道的剪胀特性研究

在偏压情况下对不同埋深的4车道和2车道偏压公路隧道建立其力学模型,研究其松动围岩力学特征。在考虑应力剪胀对隧道围岩的影响后,计算出洞周围岩位移、收敛比。研究结果表明：对于相同的条件,4车道偏压公路隧道的围岩剪切破坏带比2车道更容易与地面贯通;随着剪胀角的递增,围岩位移矢量和隧道拱顶下沉量逐渐减小,拱脚水平位移逐渐增大;大跨度隧道围岩位移受剪胀角的影响比小断面隧道显著。     

Support capacity estimation of a diversion tunnel in weak rock

This paper presents the results of the support capacity estimation for the diversion tunnel of the Uru dam site in highly weathered tuff and weak zone. Tunneling in weak rock requires some special considerations, since misjudgment in support design results in costly failures. There are several ways of estimating rock support pressure and selecting support. However, all systems suffer from their characteristic limitations in achieving objectives. Thus, it is more useful to use different methods for estimating support pressure and type of support. The support pressure p_i was established by three different methods. These methods are the (1) empirical methods based on rock mass rating (RMR) and rock mass quality index (Q-classification systems), (2) ground support interaction analysis (GSIA) and (3) numerical methods, namely, Phase² finite element (FEM) program. Rock masses were characterized in terms of RSR, RMR, Q-system and GSI. Drill-core samples were tested in the rock mechanics laboratory to determine physico-mechanical properties. Rock mass strength was estimated by empirical methods. Finally, the required support system is proposed and evaluated by different methods in the highly weathered tuff and weak zone of the diversion tunnel.     

黏质土隧道围岩分级指标的选取研究

以长序列黏质土围岩物理力学指标及埋深数据为基础,运用数理统计学原理和灰色关联度理论从定量的角度分析了黏质土围岩分级的指标选取。研究结果表明：选用力学指标的影响因素作为分级的基本指标是可行的;黏质土围岩分级预选物性指标可分为3组,根据综合分组分析和关联度分析,确定了各组内指标的综合相关系数,综合相关系数大小表明液性指数、天然密度及塑性指数的变化对黏聚力和内摩擦角参数有很大的影响,据此确定黏质土隧道围岩的分级指标为液性指数、天然密度和塑性指数。