堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力軟弱圍巖段施工大變形數(shù)值模擬預(yù)測(cè)研究

堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力順層偏壓軟巖大變形段的快速施工技術(shù) 孫偉亮 (中鐵十四局集團(tuán)有限公司,濟(jì)南250014) 摘要:堡鎮(zhèn)隧道的主要工程地質(zhì)特點(diǎn)是在高地應(yīng)力、順層偏壓、軟巖地質(zhì)條件下隧道發(fā)生大變形。在對(duì)國(guó)內(nèi)外高地應(yīng)力軟巖隧道 施工技術(shù)研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,分別對(duì)順層偏壓地層和高地應(yīng)力順層偏壓地層隧道施工力學(xué)行為分析,制定了“超前支護(hù)、初支加強(qiáng)、合 理變形、先放后抗、先柔后剛、剛?cè)岵?jì)、及時(shí)封閉、底部加強(qiáng)、改善結(jié)構(gòu)、地質(zhì)預(yù)報(bào)”的快速施工原則和總體方案。通過對(duì)開挖方法、 通風(fēng)方式、機(jī)械設(shè)備配套技術(shù)及管理技術(shù)等方面的綜合攻關(guān),實(shí)現(xiàn)了同類工程安全無事故條件下的快速施工。 關(guān)鍵詞:高地應(yīng)力;順層偏壓;軟巖大變形;隧道;快速施工技術(shù) 中圖分類號(hào):u455文獻(xiàn)標(biāo)志碼:b文章編號(hào):1672-741x(2009)01-

宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道穿越地層大部分為砂質(zhì)頁(yè)巖和粉砂質(zhì)頁(yè)巖,局部為炭質(zhì)頁(yè)巖,巖層軟弱、節(jié)理較發(fā)育;隧道埋深大,地應(yīng)力高,圍巖強(qiáng)度低,高地應(yīng)力軟巖大變形區(qū)段長(zhǎng),施工過程中發(fā)生了嚴(yán)重的大變形。主要介紹高地應(yīng)力軟巖大變形段的施工措施,即:采用小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)、采用短臺(tái)階和雙側(cè)壁相結(jié)合的開挖方法,初期支護(hù)采用噴混凝土+型鋼鋼架+錨桿+鋼筋網(wǎng)的支護(hù)措施,控制每環(huán)仰拱開挖長(zhǎng)度不超過4m,及時(shí)封閉成環(huán),及時(shí)施做二次襯砌,對(duì)隧道高地應(yīng)力軟巖段的預(yù)留變形量為15～30cm,確保了隧道順利通過軟巖大變形區(qū)段。

在施工過程中圍巖變形規(guī)律對(duì)高地應(yīng)力隧道施工控制大變形非常關(guān)鍵,也是選擇隧道開挖方式、支護(hù)型式、支護(hù)參數(shù)、支護(hù)時(shí)機(jī)的技術(shù)依據(jù)。采用有限元數(shù)值模擬分析對(duì)高地應(yīng)力大變形隧道采用臺(tái)階法開挖過程中的圍巖變形規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析,并針對(duì)其開挖過程中的預(yù)留核心土長(zhǎng)度對(duì)變形的影響進(jìn)行了探討,提出了合理的臺(tái)階長(zhǎng)度和核心土長(zhǎng)度,其結(jié)果對(duì)高地應(yīng)力大變形隧道的設(shè)計(jì)與施工具有指導(dǎo)作用。

長(zhǎng)大隧道軟弱圍巖段施工大變形預(yù)測(cè)是保證長(zhǎng)大隧道施工安全和工程質(zhì)量的重要措施。結(jié)合宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道工程,運(yùn)用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法進(jìn)行長(zhǎng)大隧道軟巖段施工大變形預(yù)測(cè)。采用遺傳算法自動(dòng)搜索使bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練效果最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),形成能夠反映變形與時(shí)程高度非線性和不確定關(guān)系的ga-bp算法,建立預(yù)測(cè)智能模型。將預(yù)測(cè)時(shí)間點(diǎn)輸入此智能模型,由bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)異的泛化性能獲得該時(shí)間點(diǎn)的變形預(yù)測(cè)值。堡鎮(zhèn)隧道應(yīng)用結(jié)果表明,ga-bp算法具有很高的預(yù)測(cè)精確度,對(duì)連續(xù)5d隧道變形預(yù)測(cè)的最大誤差僅為6.68%,完全滿足長(zhǎng)大隧道軟巖段施工大變形預(yù)測(cè)的需要。

以關(guān)角隧道為工程背景,采用開挖應(yīng)力釋放率模型,研究高地應(yīng)力軟弱圍巖地質(zhì)條件下鐵路隧道的襯砌壓力?；诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力和施工監(jiān)測(cè)位移,根據(jù)臺(tái)階法開挖中存在的空間效應(yīng),推算未監(jiān)測(cè)到的坑道周邊位移和掌子面前方位移,再采用改進(jìn)的bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)隧道圍巖的最終位移。利用開挖應(yīng)力釋放率模型獲得隧道襯砌壓力及應(yīng)力釋放規(guī)律。該規(guī)律與經(jīng)典圍巖特征曲線規(guī)律一致,且與工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工狀態(tài)基本符合。采用flac3d軟件對(duì)該段隧道開挖過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬,驗(yàn)證了上述方法在高地應(yīng)力軟弱圍巖地質(zhì)條件下的正確性和合理性。計(jì)算結(jié)果和模擬結(jié)果均表明:由于高地應(yīng)力軟弱圍巖和初支效果不佳,使得關(guān)角隧道dyk307+900處襯砌壓力較大,隧道結(jié)構(gòu)處于不利的受力狀態(tài)。

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文章結(jié)合武寧一吉安高速公路隧道工程，以ⅳ級(jí)圍巖為對(duì)象，采取模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分別對(duì)拱頂上方有、無斷層兩種情況下隧道開挖引起的同巖塌方破壞的漸進(jìn)性過程以及巖體內(nèi)部的應(yīng)力演化規(guī)律開展研究，從而為隧道塌方事故的預(yù)防和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。研究結(jié)果表明：（1）隧道開挖后，拱腰以下巖體往往因應(yīng)力集中程度較高而率先剪切破壞；（2）當(dāng)有斷層存在時(shí)，隧道開挖使得斷層下盤巖體處于懸挑狀態(tài)而容易出現(xiàn)拉剪破壞；（3）隧道開挖主要對(duì)自兩側(cè)拱腳向上與水平面成45°＋φ／2范圍內(nèi)的巖體有影響，而塌落破壞的巖體只占此影響區(qū)域的一小部分；（4）斷層的存在使得拱頂上方巖體徑向壓力在隧道開挖后更易于?，F(xiàn)降低，且應(yīng)力降低范圍相對(duì)無斷層時(shí)的要大；（5）當(dāng)無斷層存在時(shí)，拱頂上方巖體切向應(yīng)力集中是伴隨著巖體的開裂和塌落而逐步由隧道周邊向外側(cè)發(fā)展的，而當(dāng)有斷層存在時(shí)，拱頂上方切向應(yīng)力集中則出現(xiàn)在距拱頂更遠(yuǎn)的位置。

結(jié)合宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力軟巖大變形地段的施工實(shí)踐,針對(duì)砂質(zhì)粉砂質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等軟巖地層在高地應(yīng)力作用下的變形特征,總結(jié)出一套相對(duì)有效的高地應(yīng)力軟巖大變形隧道施工應(yīng)對(duì)技術(shù)措施。

高地應(yīng)力下隧道的圍巖變形是巖體力學(xué)的關(guān)鍵問題之一,甘肅關(guān)山隧道埋深較大,在穿越高地應(yīng)力區(qū)域時(shí)極易出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)、塌方及支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形等現(xiàn)象。選取隧道典型試驗(yàn)段,通過數(shù)值計(jì)算及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),對(duì)其大變形規(guī)律和防控技術(shù)進(jìn)行了研究,進(jìn)而得到了隧道圍巖的變形和應(yīng)力分布規(guī)律。根據(jù)分析結(jié)果,建議隧道襯砌施工時(shí)采用柔性支護(hù)的理念進(jìn)行設(shè)計(jì),優(yōu)化邊墻曲率,加大預(yù)留變形量,采取徑向注漿加固及降低擾動(dòng)。實(shí)踐表明,一系列防控措施有效控制了圍巖變形,降低了隧道施工風(fēng)險(xiǎn),可為以后類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供實(shí)踐借鑒。

以渝宜高速公路某隧道為工程背景,采用理想彈塑性材料本構(gòu)關(guān)系及drucker-prager屈服準(zhǔn)則建立二維有限元模型,對(duì)軟弱圍巖公路隧道開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了隧道施工過程中各階段圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變以及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力變化情況,并將數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析,判定軟弱巖體的穩(wěn)定性及支護(hù)參數(shù)選取的合理性。研究成果為公路隧道施工安全選擇提供了必要的依據(jù)和一定的參考價(jià)值。

低地應(yīng)力區(qū)地下洞室圍巖變形破壞有限元數(shù)值模擬研究——低地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)相關(guān)工程巖體變形破壞和穩(wěn)定性有重要影響，以西安市黑河水利地下工程泄洪洞為例，采用彈塑性二維有限元法通過對(duì)低地應(yīng)力區(qū)地下洞室開挖后圍巖變形破壞進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果表明：...

在建都汶高速公路龍溪隧道為高地應(yīng)力、高瓦斯隧道,針對(duì)龍溪隧道高地應(yīng)力擠壓變形的特殊性,分析了隧道施工過程中因高地應(yīng)力造成的隧道大變形的特點(diǎn),分析了大變形機(jī)理,在此基礎(chǔ)上對(duì)典型地段進(jìn)行了數(shù)值分析,確定了大變形地段安全、經(jīng)濟(jì)、合理的支護(hù)參數(shù)。龍溪隧道大變形段后續(xù)施工實(shí)踐表明,數(shù)值分析確定的支護(hù)參數(shù)和論文提出的施工措施有效地限制了隧道的高地應(yīng)力擠壓變形,確保了隧道的施工安全。龍溪隧道的施工實(shí)踐為高地應(yīng)力隧道的施工提供了有意義的技術(shù)資料,可供同類隧道施工借鑒。

結(jié)合木寨嶺隧道的實(shí)際施工方法,采用三維有限元軟件midas/gts,分別對(duì)隧道的4種施工方法進(jìn)行數(shù)值模擬,4種施工方法分別為全斷面法、二臺(tái)階法、三臺(tái)階法和超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法。選取適當(dāng)?shù)奈锢砹W(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值建模,從模擬結(jié)果中提取拱頂沉降、水平收斂、隧道應(yīng)力、塑性區(qū)等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,從而得出最優(yōu)的施工方法,即適用于高地應(yīng)力軟巖隧道的施工方法,以及相應(yīng)的支護(hù)措施。并在討論部分引用類似狀況隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性和正確性,可以為高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)施工提供一定的參考。

結(jié)合木寨嶺隧道的實(shí)際施工方法,采用三維有限元軟件midas/gts,分別對(duì)隧道的4種施工方法進(jìn)行數(shù)值模擬,4種施工方法分別為全斷面法、二臺(tái)階法、三臺(tái)階法和超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法.選取適當(dāng)?shù)奈锢砹W(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值建模,從模擬結(jié)果中提取拱頂沉降、水平收斂、隧道應(yīng)力、塑性區(qū)等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,從而得出最優(yōu)的施工方法,即適用于高地應(yīng)力軟巖隧道的施工方法,以及相應(yīng)的支護(hù)措施.并在討論部分引用類似狀況隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性和正確性,可以為高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)施工提供一定的參考.

結(jié)合木寨嶺隧道的實(shí)際施工方法,采用三維有限元軟件midas/gts,分別對(duì)隧道的4種施工方法進(jìn)行數(shù)值模擬,4種施工方法分別為全斷面法、二臺(tái)階法、三臺(tái)階法和超前導(dǎo)洞擴(kuò)挖法。選取適當(dāng)?shù)奈锢砹W(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值建模,從模擬結(jié)果中提取拱頂沉降、水平收斂、隧道應(yīng)力、塑性區(qū)等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,從而得出最優(yōu)的施工方法,即適用于高地應(yīng)力軟巖隧道的施工方法,以及相應(yīng)的支護(hù)措施。并在討論部分引用類似狀況隧道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性和正確性,可以為高地應(yīng)力軟巖隧道設(shè)計(jì)施工提供一定的參考。

圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力分布變化規(guī)律是隧道開挖是否安全的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)隧道開挖計(jì)算的復(fù)雜性，采用有限元對(duì)其建立三維數(shù)值模擬。利用ansys對(duì)隧道開挖過程進(jìn)行模擬，得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力分布變化規(guī)律。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，豎向最大位移發(fā)生在拱頂處，而支護(hù)最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰。

我國(guó)幅員遼闊，地形地質(zhì)條件復(fù)雜。隨著高速鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展，山嶺隧道建設(shè)的工程規(guī)模逐漸增大，遇到的復(fù)雜不良地質(zhì)情況也越來越多，給隧道施工帶來極大危害。本文根據(jù)湖北省宜巴高速17標(biāo)段峽口隧道大變形進(jìn)行了分析，總結(jié)出高地應(yīng)力軟弱地段隧道施工技術(shù)措施，軟巖隧道塌方的原因，主要與地下水、圍巖地質(zhì)、施工情況等因素有關(guān)系。但針對(duì)不同的軟巖隧道，其塌方原因又各有差異。僅供業(yè)內(nèi)人士參考。

隧道工程圍巖大變形及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究

以實(shí)際工程為例,根據(jù)工程地質(zhì)情況,采用注漿加固的方法對(duì)隧道軟弱圍巖進(jìn)行加固,取得良好的加固效果,解決了巖體坍塌的問題。

以九寨溝至綿陽高速公路隧道工程概況為切入點(diǎn),就軟弱圍巖大變形段注漿加固的力學(xué)參數(shù)、時(shí)間確定以及具體的施工技術(shù)運(yùn)用,進(jìn)行細(xì)致地探討研究,期望為優(yōu)化大變形段的施工效率與作業(yè)安全性,提升整個(gè)公路隧道工程的施工進(jìn)度與經(jīng)濟(jì)效益,提供有益的參考.

隨著近些年來我國(guó)交通行業(yè)的快速發(fā)展；隧道工程數(shù)量和規(guī)模都在快速增加；在隧道施工過程中不可避免的會(huì)遭遇到軟弱圍巖的情況；這種隧道的整體強(qiáng)度相對(duì)較低；非常容易發(fā)生大變形的問題；所以加強(qiáng)其施工技術(shù)水平；有效進(jìn)行施工控制是非常重要的.本文主要分析軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術(shù)內(nèi)容；希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人士有所幫助.

結(jié)合某軟弱圍巖隧道實(shí)體工程,對(duì)軟弱圍巖隧道大變形施工控制技術(shù)進(jìn)行研究,歸納了其圍巖大變形破壞特征,分析了軟弱圍巖隧道大變形的產(chǎn)生原因,從施工工藝、施工控制方面提出了防止軟弱圍巖隧道產(chǎn)生大變形的措施和方法。