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巴东组泥岩大断面隧道开挖面大变形滑塌失稳机制与防治措施研究

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第4期55卷 1418-1432页

作者：吕敬康阳军生郑响凑汤宇谢亦朋梁雄中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中铁五局集团第一工程有限责任公司湖南长沙410117

隧道穿越富水软弱地层时易发生开挖面滑塌失稳破坏,为此,本文以郑万高铁巴东隧道为工程依托、以巴东组紫红泥岩为研究对象,开展系列室内试验,揭示泥岩遇水软化的力学特征。综合考虑围岩节理发育及施工扰动等因素的影响,基于Hoek-Brown... 详细信息

隧道穿越富水软弱地层时易发生开挖面滑塌失稳破坏,为此,本文以郑万高铁巴东隧道为工程依托、以巴东组紫红泥岩为研究对象,开展系列室内试验,揭示泥岩遇水软化的力学特征。综合考虑围岩节理发育及施工扰动等因素的影响,基于Hoek-Brown强度准则将室内试验获取的完整岩体的强度参数转化为现场岩体参数,并采用两相单质点流固耦合物质点法(MPM)对隧道开挖面滑塌失稳大变形全过程进行模拟,并结合现场评价超前帷幕注浆预加固措施的有效性。研究结果表明:开挖面滑塌失稳过程可大致分为开挖面隆起变形、开挖面局部失稳及滑塌体加速运动、滑塌体稳定这3个主要阶段。随着开挖面前方滑塌体的加速运动,围岩的渗流场发生明显的变化,渗水形态呈“漏斗状”,水流向开挖面“缺口”汇集;滑塌体稳定后呈锥体状堆积,滑塌体坡脚与开挖面的距离约25 m,与现场滑塌体最终形态较吻合。采取超前帷幕注浆预加固措施后围岩稳定性较好,确保了隧道施工安全顺利推进。流固耦合物质点法可动态再现地下水渗流作用下软弱地层隧道滑塌失稳破坏全过程,可为类似工程研究提供参考。

关键词：巴东组泥岩大变形失稳流固耦合物质点法帷幕注浆

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不等跨十车道四连拱隧道施工全过程支护结构受力特征现场测试研究

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岩土工程学报 2024年

作者：阳军生汤冲柏署谢亦朋李雨哲杨磊中南大学土木工程学院湖南省交通规划勘察设计院有限公司中铁二十五局集团有限公司

多连拱隧道开挖洞室多、跨度大，施工过程中荷载转换频繁，支护结构受力特征复杂，对多连拱隧道支护结构受力开展现场测试研究具有重要意义。依托长沙观音岩不等跨四连拱隧道工程，选取典型断面对各洞室初支钢拱架、二次衬砌内力进行施... 详细信息

多连拱隧道开挖洞室多、跨度大，施工过程中荷载转换频繁，支护结构受力特征复杂，对多连拱隧道支护结构受力开展现场测试研究具有重要意义。依托长沙观音岩不等跨四连拱隧道工程，选取典型断面对各洞室初支钢拱架、二次衬砌内力进行施工全过程应力监测，以获得复杂施工步序下支护结构受力特征。测试结果表明：观音岩隧道施工中，先行主洞较后行洞室承担的围岩压力更大，右主洞、左右辅洞开挖顺序居后，施工扰动次数较少，支护结构内力较小；各洞室中，初支钢拱架内力整体均呈“左小右大”的非对称分布特征，其最大轴向压力402.71kN、最大弯矩7.97kN·m出现在左主洞的右拱脚处，二衬内力整体非对称程度较低，只以左主洞呈显著非对称分布，其余洞室呈整体对称分布；先行左主洞支护结构的内力扰动主要由受后行邻洞的开挖影响所产生，后行右主洞、左辅洞开挖支护阶段，左主洞初支钢拱架、二衬结构绝大部分位置其内力增量超过总增量的一半；采用“先主后辅，左主先行”施工方案，施工全过程支护结构的安全性均满足规范要求，支护结构设计和施工措施合理。研究成果可为复杂条件下多连拱隧道的设计与施工提供借鉴。

关键词：四连拱隧道支护结构现场测试受力特征安全性评价

水-岩软化作用下巴东组泥岩隧道大断面开挖掌子面稳定性研究

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隧道建设(中英文) 2024年第S1期 274-285页

作者：谢亦朋梁雄阳军生彭学军刘德安中南大学土木工程学院中铁五局集团第一工程有限责任公司

为明确软弱围岩条件下高速铁路隧道大断面机械化施工过程中的掌子面稳定性特征,以郑万铁路巴东隧道穿越巴东组紫红泥岩段为工程背景,对隧道揭露的巴东组紫红泥岩开展不同含水率下的三轴试验,揭示巴东隧道紫红泥岩的水-岩软化特征;在考虑... 详细信息

为明确软弱围岩条件下高速铁路隧道大断面机械化施工过程中的掌子面稳定性特征,以郑万铁路巴东隧道穿越巴东组紫红泥岩段为工程背景,对隧道揭露的巴东组紫红泥岩开展不同含水率下的三轴试验,揭示巴东隧道紫红泥岩的水-岩软化特征;在考虑水-岩软化特征的Hoek-Brown强度准则下,构建考虑水-岩软化作用的隧道穿越巴东紫红泥岩地层流-固耦合数值模型,揭示不同地层水位下巴东组紫红泥岩隧道大断面施工掌子面稳定性特征;最终提出“掌子面喷混凝土+掌子面超前锚杆+超前管棚”的组合式超前加固方案。经过试验和模拟计算,结果表明:1)随含水量的增加,巴东隧道紫红泥岩的刚度与抗剪强度显著降低,与既有研究揭示的浅表地层紫红泥岩相比,巴东隧道紫红泥岩具有更高的抗剪强度; 2)掌子面后方拱顶沉降、掌子面前方拱顶预收敛、掌子面挤出变形的最大值均随历史水位的升高而增大; 3)根据不同地层历史水位条件下开挖面支护力与挤出变形之间的关系,巴东隧道紫红泥岩掌子面稳定性可以分为A(稳定)、B(短期稳定)以及C(不稳定)3类,对于C类掌子面,采用“掌子面喷混凝土+掌子面超前锚杆+超前管棚”的组合式超前加固措施后,掌子面前后方各项变形最大值可以减小60%～90%。

关键词：巴东组泥岩水-岩作用铁路隧道大断面开挖掌子面稳定性超前加固

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长沙典型地层参数反演及隧道施工工法优化

华中科技大学学报:自然科学版 2023年第7期51卷 55-62页

作者：邹小双阳军生谢亦朋宋中华中南大学土木工程学院湖南长沙410075 长沙市轨道交通集团有限公司湖南长沙410014

依托长沙轨道交通6号线烈士公园车站明挖法基坑和暗挖法隧道工程,基于明挖段围护结构的变形监测数据,采用有限差分数值模拟与BP神经网络算法,实现了烈士公园车站地层真实岩土参数的反演,并将反演参数应用于暗挖段大断面隧道工法优化与... 详细信息

依托长沙轨道交通6号线烈士公园车站明挖法基坑和暗挖法隧道工程,基于明挖段围护结构的变形监测数据,采用有限差分数值模拟与BP神经网络算法,实现了烈士公园车站地层真实岩土参数的反演,并将反演参数应用于暗挖段大断面隧道工法优化与验证之中.结果表明:反演获得的烈士公园车站场地第四系覆盖层弹性模量为23.0 MPa、泊松比为0.31、黏聚力为37.5 kPa、内摩擦角为26.8°,基岩的弹性模量为2214.2 MPa、泊松比为0.28、黏聚力为470.8 kPa、内摩擦角为33.8°.模拟计算表明:优化后的6导洞施工所产生的拱顶沉降为6.77 mm,地表沉降为8.04 mm,均满足相关规范要求.现场实施效果表明:优化后的6导洞工法施工高效,施工过程中地层变形较为稳定,未对上覆植被环境产生不良影响.

关键词： BP神经网络参数反演地铁暗挖车站开挖工法优化数值计算

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盾构隧道渣土资源化再利用技术研究及展望

隧道建设（中英文） 2022年第2期42卷 188-207,I0003-I0022页

作者：谢亦朋张聪阳军生傅金阳肖超占永杰中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410004 中建五局土木工程有限公司湖南长沙410004

为形成对盾构渣土资源化再利用技术进展、挑战与创新的系统认识,介绍了国内外盾构隧道渣土的分类再利用标准,详细总结了盾构渣土作为盾构施工辅助材料、再生建筑材料、植被复垦材料与工程填筑材料的再利用技术。阐明分析了盾构渣土资源... 详细信息

为形成对盾构渣土资源化再利用技术进展、挑战与创新的系统认识,介绍了国内外盾构隧道渣土的分类再利用标准,详细总结了盾构渣土作为盾构施工辅助材料、再生建筑材料、植被复垦材料与工程填筑材料的再利用技术。阐明分析了盾构渣土资源化再利用技术在标准、方法、设备、市场效益等方面仍存在细化、优化、规模化、产业化的挑战,构建了"再利用方式初判—盾构渣土分级处理—渣土再利用可行性评价—再生产品性能与市场效益评估"的盾构渣土资源化再利用的标准化技术流程。重点阐述了盾构渣土在壁后注浆材料、植被复垦基质和免烧建筑材料等方面的再利用新技术,提出了盾构渣土在壁后注浆材料中的分级再利用标准、渣土再生产品性能优化的多目标规划技术、盾构渣土作为植被复垦基质的再利用可行性试验方法、盾构渣土制备免烧空心砖的工艺流程与参数优化等新思路。最后,对我国盾构渣土资源化再利用技术与产业发展趋势进行了展望。

关键词：盾构隧道渣土资源化再利用技术壁后注浆材料植被复垦免烧空心砖

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泥水盾构弃渣在同步注浆材料中的再利用研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2019年第10期47卷 40-45页

作者：戴勇阳军生张聪谢亦朋中南大学土木工程学院

为了解决泥水盾构的弃渣处理过程会显著增加施工成本,且极易造成环境污染的常见问题,依托杭州望江路过江大直径泥水盾构隧道工程,考虑掘进线路处于黏土地层,提出了弃渣取代同步注浆原材料再利用方案.探讨了弃渣取代膨润土原材料的可行性... 详细信息

为了解决泥水盾构的弃渣处理过程会显著增加施工成本,且极易造成环境污染的常见问题,依托杭州望江路过江大直径泥水盾构隧道工程,考虑掘进线路处于黏土地层,提出了弃渣取代同步注浆原材料再利用方案.探讨了弃渣取代膨润土原材料的可行性,通过均匀设计试验测试了浆液性能,并结合目标规划(goalprogramming,GP)模型实现了浆液配比优化.研究结果表明:经初步处理后的泥水盾构弃渣可取代膨润土材料,最优配比下同步注浆浆液的流动度为23.1 cm,2 h析水率为2.2%,28 d结石体收缩率为5.8%,初凝时间为649 min,结石体28 d抗压强度可达2.65 MPa,均能满足杭州现场同步注浆性能要求,且该技术的经济和环境效益显著.

关键词：泥水盾构弃渣均匀设计同步注浆目标规划模型再利用

基于局部粗粒化离散元的冰水堆积体隧道围岩破坏特征与加固措施研究

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岩石力学与工程学报 2021年第3期40卷 576-589页

作者：谢亦朋张聪阳军生陈彬傅金阳祝志恒中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410004 中铁五局集团有限公司湖南长沙410007

以川藏铁路拉林段藏噶隧道穿越冰水堆积体段为工程背景,基于数字图像技术与离散元方法,在识别冰水堆积体的工程地质特征的基础上,提出一种考虑块石真实形态特征的冰水堆积体局部粗粒化模拟方法,并通过数值计算探讨隧道开挖引起的冰水堆... 详细信息

以川藏铁路拉林段藏噶隧道穿越冰水堆积体段为工程背景,基于数字图像技术与离散元方法,在识别冰水堆积体的工程地质特征的基础上,提出一种考虑块石真实形态特征的冰水堆积体局部粗粒化模拟方法,并通过数值计算探讨隧道开挖引起的冰水堆积体围岩破坏特征以及细观破坏机制,最终提出相应的预加固措施。研究结果表明,冰水堆积体隧道围岩在开挖后沿全环渐进式破坏,具体表现为"初始松动区形成-剪切破裂面发育-松动区扩展-剪切破裂面延伸"的动态循环过程,松动区内的颗粒接触劣化证明了土体间的剪切破裂的发育扩展。此外,力链结构特征的演化规律揭示了强力链结构由环状退化为链状,最终导致块石骨架失效、围岩松动破坏这一细观机制。工程应用结果表明,提出的"全断面帷幕注浆+超前管棚+小导管"的预加固措施可显著抑制冰水堆积体隧道围岩破裂面与松动区的发育,有效控制围岩开挖稳定,钻孔取芯与隧道变形监测均满足工程需求。

关键词：隧道工程冰水堆积体隧道局部粗粒化离散元模拟破坏特征围岩预加固

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非均质软弱围岩隧道注浆加固圈分布特性

交通运输工程学报 2019年第3期19卷 58-70页

作者：张聪阳军生谢亦朋戴勇梁雄龚方浩中南大学土木工程学院

基于随机分布理论和流-固耦合理论,考虑注浆过程中围岩物性参数的动态变化和浆液黏度时变性,推导了流-固耦合作用下非均质软弱围岩的浆液扩散方程,并运用多场耦合软件COMSOL Multiphysics建立了小导管注浆浆液在非均质软弱围岩中的扩散... 详细信息

基于随机分布理论和流-固耦合理论,考虑注浆过程中围岩物性参数的动态变化和浆液黏度时变性,推导了流-固耦合作用下非均质软弱围岩的浆液扩散方程,并运用多场耦合软件COMSOL Multiphysics建立了小导管注浆浆液在非均质软弱围岩中的扩散模型,系统研究了注浆参数与小导管布设等对浆液扩散与注浆加固圈形成的影响。研究结果表明:浆液在非均质软弱围岩内以类椭圆形向四周扩散,扩散形态随注浆压力、注浆时间与围岩参数等动态变化而不断变化,最终趋于稳定;在注浆过程中,增大注浆压力和延长注浆时间在一定程度上可提高浆液的渗透能力并改善围岩的渗透性,而适当的增大小导管布设长度或减小导管布设角度有利于注浆加固圈的形成;为达到最优注浆效果,洞头山隧道小导管预注浆加固压力宜设为1 MPa,注浆时间宜控制在400 s,小导管布设角度不宜小于30°,布设长度应大于2.5 m;经现场监测验证,隧道围岩28 d抗压强度提高至2 MPa,围岩渗透系数降至10-5 cm·s-1,后续台阶法施工开挖拱顶沉降均小于3 cm,围岩整体性和连续性得了显著提高。

关键词：隧道工程非均质软弱围岩隧道注浆注浆加固圈流-固耦合理论随机分布理论

土石堆积体精细化模型构建及力学特性数值试验

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铁道科学与工程学报 2021年第3期18卷 710-719页

作者：梁雄阳军生谢亦朋张聪戴勇中南大学土木工程学院湖南长沙410075 中南林业科技大学土木工程学院湖南长沙410004

土石堆积体具有较强的非均质性,其力学破坏特性受内部块石的细部特征影响较大。依托罗打拉堆积体隧道,借助数字图像处理与块石随机投放技术实现了对土石堆积体精细化数值模型的构建,采用大型三轴试验验证模型的正确性,并深入探讨土石堆... 详细信息

土石堆积体具有较强的非均质性,其力学破坏特性受内部块石的细部特征影响较大。依托罗打拉堆积体隧道,借助数字图像处理与块石随机投放技术实现了对土石堆积体精细化数值模型的构建,采用大型三轴试验验证模型的正确性,并深入探讨土石堆积体力学破坏的特征及规律。研究结果表明:该方法获得的力学参数及应力应变曲线与三轴试验结果差异不大;在加载过程中,剪切破裂面由试样中部及顶部两端块石尖端与土体的交界面沿土石路径向四周发育,直至形成X形或人字形带状分布的剪切塑性区,并趋于贯通至发生剪切破坏。该方法的提出为土石堆积体力学参数的选取提供了一种新思路,可为土石堆积体隧道工程设计、施工等提供有益指导。

关键词：土石堆积体隧道精细化模型数值试验三轴试验力学破坏特性