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.     

对西康铁路软岩和极软岩隧道支护的认识

西康铁路沿线软质岩带在秦岭以南分布较广.在软质岩带集中出露的地段,地质情况复杂,隧道围岩稳定性差,其工程地质特性随着岩层矿物质成分、产状、风化程度、地下水赋存特征的不同有很大差异.本文介绍了西康铁路南段软岩和极软岩带的设计指导思想,并结合西康线具体情况,具体分析了软岩极软岩对隧道施工的影响,对该类地层铁路隧道的设计、施工,提出几点建议,作为今后工作的借鉴.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

黄土软岩公路隧道防排水合理结构型式研究

针对甘肃省及临近地区干旱、半干旱黄土地区工程地质、水文地质特点,实地调查该地区已建隧道渗漏水情况,分析该地区隧道渗漏水成因。以天巉二级汽车专用公路9座隧道为依托,应用工程类比法提出适合该地区的涌水类型划分方法,涌水类型划分为滴渗、淋淌、股水和突水4种,并分析了影响隧道防排水结构设计的因素和防排水设计原则。在此基础上,提出了防排水设计的4种合理结构型式及其适用条件。研究结果为天巉公路、巉柳公路防排水设计与施工提供了有效指导。     

公路隧道围岩变形监测及其应用

以二郎山公路隧道施工过程的工程实践为依据，利用常规围岩变形监控量测和围岩变形跟踪监测系统及二次应力场测试，获取隧道围岩动态综合信息，为围岩分类、大变形预测、岩爆预测、优化二次支护时间及反分析等提供依据，是岩土工程信息化设计、施工的重要手段。     

考虑岩体扩容和塑性软化的软岩巷道变形解析

考虑岩体的扩容和塑性软化特性,引进扩容梯度和软化模量的概念,推导出均匀介质中软岩巷道应力和变形的理论解答。与其他理论模型进行比较,验证了理论模型的正确性。通过算例分析了岩体的扩容梯度和软化模量对围岩塑性区、破裂区半径以及围岩变形和压力的影响。分析结果表明,考虑岩体的扩容和塑性软化特性使得分析更加准确,研究成果对软岩巷道支护设计与施工具有一定指导意义。     

极软岩巷道锚注加固注浆材料研究与应用

锚注加固是一种理想的改善软岩巷道的围岩承载性能的措施。在实验室对粉煤灰-水泥锚注加固注浆材料的流动性、析水性及抗压强度进行了试验研究,找出了注浆材料的适宜配比,即粉煤灰掺量在20 %以下,水灰比为0.65～0.70,并在新集三矿极软岩巷道修复加固中进行了应用。     

典型曲线法在山东龙口软岩煤矿区开采沉陷预测中的应用

为丰富矿区开采沉陷的预计方法,提高预测的精度,在综合大量文献的基础上,提出了典型曲线法。典型曲线法避免了由理论模型的假设和简化而造成预计公式的误差,提高了预计的精度,通过开发预计程序,方便了数据的处理,实现了典型曲线法沉陷预计的电算化。以山东龙口软岩矿区为例,详细介绍了典型曲线的建立和应用方法,预计结果和实测最大下沉值的绝对偏差为9mm,相对误差为1.1%。     

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。     

软岩应变软化数值模型的建立与研究

根据三轴压缩试验的应力-应变曲线,运用Hoek提出的由主应力圆包络线确定粘聚力和内摩擦角等效值的方法和曲线拟合的方法,研究了围压对软岩峰后软化特性的影响和软岩的宏观物性参数峰后应变软化规律,建立了峰后应变软化数值模型。利用该数值模型对三轴试验进行数值模拟,其结果与试验数据吻合。