关键词： 软岩大变形   隧道开挖   卸荷应力路径   参数劣化   差分数值解  

摘要： 近些年来,软岩大变形隧道施工带来的安全事故日益频繁,其主要原因是目前暂未形成有针对性的、可以准确反映软岩大变形力学行为的隧道计算模型。隧道开挖过程实际是一个卸荷的过程,在这种应力路径条件下,隧道塑性区内围岩的力学性能相对未开挖状态减弱。本文基于隧道典型软岩—泥岩卸荷三轴试验得到考虑峰后损伤的力学本构模型,并建立软岩隧道计算模型。与传统Fenner公式计算结果进行对比发现,本文模型更加符合高地应力下软岩隧道开挖和支护计算结果。利用Euler显式差分求解算法对模型进行理论求解,研究不同支护力、不同黏聚力、不同摩擦角、不同变形模量对隧道塑性圈半径与洞周位移的影响。基于FISH语言平台,将计算模型嵌入FLAC 3D得到了支护时间对支护效果的影响。最后基于龙溪隧道的现场实测数据验证了本文的隧道计算模型。研究成果可以为准确计算大变形段落围岩响应提供理论依据。

关键词： 软岩   三轴卸载蠕变试验   蠕变规律  

摘要： 为探究软岩在长期载荷作用下的变形特性,以红庆梁煤矿11307工作面的软岩为研究对象,进行三轴卸载蠕变试验,研究了偏应力恒定的条件下,巷道软岩的蠕变规律。结果表明,红庆梁11307巷道软岩在蠕变全过程中,其轴向变形量增至7.34%,岩石破坏;在第2、第5应力阶段的试样蠕变应变和蠕变速率均大于第3、第4阶段,当σ_(1)/σ_(3)值在2.5455~2.8889范围内时,软岩试样较为稳定,其蠕变应变现象不明显。该研究可为相似地质条件下软岩巷道围岩控制提供重要的参考依据。

关键词： 软岩隧道   大变形   断面优化   数值模拟   模型试验   控制技术  

摘要： 某铁路是我国当前最具挑战性的基础交通工程,存在着围岩压力奇高、变形段落多、规模大及变形量大等特征,施工过程中围岩难于稳定、垮塌风险高、变形控制难度极大,加之恶劣的气候和环境条件影响,隧道大变形问题已普遍被认为是某铁路建设的重大挑战之一。 为此,本文以某隧道为工程依托,针对某隧道现有的变形控制措施的不足,通过现场调研、数值模拟、模型试验等方法研究分析了炭质板岩隧道大变形特征及力学特性,进一步分析了高地应力特征对软岩隧道稳定性的影响,最后提出了基于卸荷物理扩容下的软岩大变形隧道控制措施。主要结论如下: （1）通过现场监控量测数据以及目前隧道各大变形段的变形破坏现象,对现场的变形情况进行了统计分析,总结归纳了隧道大变形的影响因素;通过文献调研及数学计算,对隧道围岩应力分布及破坏条件进行了说明,并计算得到不同侧压力系数和不同轴长比的椭圆形隧道周边切向应力集中系数;考虑岩体卸荷物理扩容下的“卸荷扩容”效应,并以现有的模拟隧道开挖过程FLAC3D有限差分软件荷载计算方法为基础,引入“动态弹模”,优化了模拟计算过程。 （2）通过数值模拟,从强度应力比、侧压力系数、围岩最大主应力与隧道轴线夹角三个方面研究了高地应力特征对软岩隧道稳定性的影响。 （3）以椭圆形（二级大变形）、圆形（三级大变形）断面类型为例,在开挖步距、开挖方案相同的条件下对数值模型隧道实施模拟开挖,通过对比不同开挖类型下隧道围岩应力分布、围岩变形值、隧道塑性区部位及大小规模等情况,并对隧道初期支护侵限进行判定分析,优选出了最优断面形状。 （4）对软岩隧道锚杆参数进行了优化研究;提出了一种含吸能缓冲层的让压支护结构控制措施,并在“动态弹模”数值模拟计算基础上,引入“动态本构”来实现聚氨酯泡沫材料的数值模拟过程。通过数值模拟计算,对该吸能让压支护结构中吸能缓冲层的位置和厚度进行优化分析,并进一步研究挤压程度对吸能让压支护效果的影响;通过室内模型试验,对该吸能让压支护结构控制措施进行进一步的验证与研究。

关键词： 大断面软岩隧道   围岩   卸荷   变形   空间效应  

摘要： 我国修建的数量众多的大断面隧道工程,极大地提高了交通的便捷度。然而,在软弱岩层中修建大断面山岭隧道时,施工过程并不顺利,经常会遇到掌子面失稳、地表塌陷等工程问题。对此,文章以乌鲁木齐绕城高速(西线)工程西山隧道为工程背景,针对软岩及复杂地质大断面长大隧道的施工问题,立足隧道施工过程中不同部位的受力情况,结合现场的工程实例,进行理论分析研究,设计数值仿真试验,并用极差分析法分析试验数据,对大断面软岩隧道开挖过程中,开挖工法、断面大小及围岩等级对围岩卸荷和变形的影响程度进行深入研究,以期为同行提供一定的理论参考。

关键词： 软岩   卸荷蠕变   蠕变特性   长期强度   室内试验  

摘要： 软岩蠕变对地下岩体工程变形控制及长期稳定的影响极为重要,为研究不同初始应力下软岩分级卸荷蠕变行为,以四川省大渡河丹巴水电站右岸平硐的软岩为研究对象,开展了不同轴压下分级卸荷-蠕变试验,分析了软岩在恒轴压和分级卸围压下的蠕变特性及长期强度特征。结果表明:破坏围压下,软岩蠕变曲线和蠕变速率均表现出衰减、稳态和加速三个典型阶段;初始轴压能显著影响软岩的蠕变破坏特征,初始轴压越大,软岩在卸围压时越容易破坏,且均以压剪破坏为主,较高初始轴压会造成试样端部出现拉剪裂隙;软岩长期强度和蠕变破坏强度的比值均在90%以上,卸荷时初始轴压越大,软岩越早进入屈服阶段。

关键词： 软岩大变形   弹性模量   随机场   非侵入式随机有限差分法   风险分析  

摘要： 层状软岩是一种常见的工程地质体,其岩体力学参数具有显著的空间变异性特征。开挖卸荷下,层状软岩隧道围岩极易产生大变形失稳破坏,进而威胁施工人员及设备安全。为有效评价层状软岩隧道围岩大变形失稳风险,以郑万高铁保康隧道为研究背景,综合现场监测、统计分析与数值模拟等研究手段,开展了隧道围岩位移与松弛深度监测、岩体弹性模量转换与空间变异性表征、非高斯参数随机场的离散与围岩失稳破坏概率计算等一系列研究,实现了层状软岩隧道围岩大变形失稳的定量风险分析,主要研究内容如下:(1)开展了层状软岩隧道围岩表面位移、拱架压力与松动圈监测。结果表明,围岩劣化迅速,其变形破坏具有显著的左大右小对称特征。以位移监测数据为基础,以双线性遍布节理模型为本构模型,开展了岩体力学参数敏感性分析与智能反演,计算与检验了开挖卸荷下层状软岩隧道围岩变形及破坏分布规律,为以数值模拟为核心手段的定量风险分析奠定了计算基础。(2)通过经验公式实现了弹性波速到层状岩体弹性模量的转换,采用概率论方法拟合了弹性模量的最优概率密度分布函数。以地质统计学理论为基础,开展了弹性模量的空间变异性研究,确定了弹性模量沿岩层走向和倾向上的变异函数及自相关函数。通过理论分析求解了弹性模量的当量均值及标准差、自相关函数特征值及特征函数、标准正态随机变量及截断项数,基于Karhunen-Loève级数展开方法构建了弹性模量参数随机场。以单元遍历为手段,实现了弹性模量参数随机场与FLAC3D网格的耦合。经检验,随机有限差分网格模型中随机参数的分布特征可有效表征层状岩体弹性模量的空间变异性。(3)采用非侵入式随机有限差分法,计算了弹性模量随机分布下隧道拱腰部位围岩的收敛位移。以极限相对位移为指标,确定了隧道初期支护下围岩允许变形的极限状态方程。基于蒙特卡洛方法,计算了围岩变形破坏概率,实现了考虑层状岩体弹性模量空间变异性的围岩变形失稳定量风险分析。采用定量风险分析方法,分别对系统锚杆、钢拱架及超前注浆下围岩定量失稳风险进行了对比分析,确定了能有效抑制围岩大变形失稳的施工方法,为保康隧道安全高效施工提供了技术支撑。

关键词： 高地应力软岩隧道   围压卸荷   围岩力学参数   预应力锚杆   早高强喷射混凝土  

摘要： 我国幅员辽阔,地质条件复杂,随着西部开发、“一带一路”等战略规划的实施,我国隧道工程逐渐向西部高地应力挤压区域延伸。由于极高的地应力造成软弱围岩挤压严重,变形较大,在这一地区修建隧道,常常面临软岩大变形问题,严重危及支护结构安全,该问题已成为制约隧道正常修建的瓶颈。围岩的变形及破坏与其应力状态密切相关,故解决该问题的前提是充分认识高地应力软岩由于开挖卸荷所表现出的力学特征,并在此基础上进一步明晰支护构件对围岩产生的力学影响,同时,虽然隧道软岩种类繁多,但是其力学性质具有一定程度的相似性。故本文综合采用文献调研、理论分析、数值模拟等研究方法,以典型软岩——泥岩隧道为例,基于其在高地应力卸荷路径下的力学特性,对主动支护——预应力锚杆及早高强喷射混凝土的支护作用力学机理进行研究,得到主要结论如下:1.采用文献调研、理论分析,以典型软岩——泥岩隧道为例,分析了软岩在三轴加载、卸荷路径下的受力特征,给出了在高地应力卸荷条件下对岩石强度参数的修正关系与变形参数随围压的变化公式,明确了软岩卸荷破坏后的力学参数劣化规律,并基于其揭示了主动支护力学机理。2.采用文献调研、理论分析和数值模拟,明确了预应力锚杆在围岩中产生的压应力分布规律,得出了系统预应力锚杆产生的连续压应力范围计算公式,基于典型软岩卸荷破坏后的力学参数劣化规律,探明了预应力锚杆对围岩的加固机理,明确了考虑围岩力学参数变化的预应力锚杆支护效果。3.采用文献调研和数值模拟,明确了喷混凝土支护的作用效果及各参数对其的影响,基于典型软岩卸荷破坏后的力学参数劣化规律,探明了喷混凝土的支护力学机理,明确了考虑围岩力学参数变化的早高强喷射混凝土的支护效果。以上研究成果可为高地应力软岩隧道支护结构的设计提供一定的参考。

关键词： 深埋软岩   开挖卸荷   流变   二次支护   FLAC3D  

摘要： 由于软岩的流变特性,深埋软岩洞室开挖后的很长一段时间内围岩变形持续发展,支护不当或不及时支护极易引发洞室围岩失稳.以四川省甘孜藏族自治州丹巴县大渡河丹巴水电站工程为背景,以室内试验为基础,开展软岩卸荷力学参数劣化分析,确定开挖卸荷、开挖卸荷-流变的计算参数,对穿越断层破碎带的深埋软岩开展开挖卸荷-流变与支护时机的数值模拟研究.结果表明:洞室的流变变形在选取的4种二次支护时机中均为5年左右洞室变形基本收敛,10年左右洞室变形完全收敛,其后支护结构稳定基本不发生变形;同时考虑工程实际中的“先让后抗”的支护原则,当初衬拱顶拱底相对位移(ΔA1B1)为ΔA1B1max的80%时进行二次支护为4种二次支护时机中相对最佳的二次支护时机.