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极高地应力硬岩隧道洞群间距对岩爆的影响性研究

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施工技术(中英文) 2024年

作者：袁松王希宝陈子全蒋长伟四川省交通勘察设计研究院有限公司西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室

在极高地应力硬岩隧道中，隧道合理净距不仅影响隧道的空间利用率和经济性，同时也对隧道发生岩爆的剧烈程度有较大影响，合理的隧道净距可最大限度满足结构安全性和隧道经济性要求，所以找到合适的隧道净距至关重要。依托拟建成都—汶... 详细信息

在极高地应力硬岩隧道中，隧道合理净距不仅影响隧道的空间利用率和经济性，同时也对隧道发生岩爆的剧烈程度有较大影响，合理的隧道净距可最大限度满足结构安全性和隧道经济性要求，所以找到合适的隧道净距至关重要。依托拟建成都—汶川的龙门山高地应力隧道，设计了5种隧道净距，为了找到合理的隧道净距，分别对5种净距下的隧道洞壁进行了位移和应力分析；重点对不同侧压力系数下净距变化对位移和最大主应力的影响进行了分析，采用弹性应变能的岩爆判据对各工况进行了岩爆倾向性分析。结果说明：隧道净距的增加会使得隧道洞群间的影响减小，其中靠近中夹岩一侧的特征点应力和位移变化较明显；隧道洞壁靠近中夹岩一侧比远离中夹岩一侧最大主应力更大，更易发生岩爆；侧压力系数为0.8和1时的合理净距为1.5D（D为正洞宽度），侧压力系数为1.2和1.4时的合理净距为D。

关键词：隧道工程净距地应力岩爆弹性应变能

极高地应力硬岩隧道洞群间距对岩爆的影响研究

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施工技术（中英文） 2024年第6期53卷 42-48,100页

作者：袁松王希宝陈子全蒋长伟四川省交通勘察设计研究院有限公司四川成都610017 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031

在极高地应力硬岩隧道中,隧道合理净距不仅影响隧道的空间利用率和经济性,同时也对隧道发生岩爆的剧烈程度有较大影响,合理的隧道净距可最大限度满足结构安全性和隧道经济性要求,所以找到合适的隧道净距至关重要。依托拟建成都—汶川的... 详细信息

在极高地应力硬岩隧道中,隧道合理净距不仅影响隧道的空间利用率和经济性,同时也对隧道发生岩爆的剧烈程度有较大影响,合理的隧道净距可最大限度满足结构安全性和隧道经济性要求,所以找到合适的隧道净距至关重要。依托拟建成都—汶川的龙门山高地应力隧道,设计了5种隧道净距,为了找到合理的隧道净距,分别对5种净距下的隧道洞壁进行了位移和应力分析;重点对不同侧压力系数下净距变化对位移和最大主应力的影响进行了分析,采用弹性应变能的岩爆判据对各工况进行了岩爆倾向性分析。结果说明:隧道净距的增加会使得隧道洞群间的影响减小,其中靠近中夹岩一侧的特征点应力和位移变化较明显;隧道洞壁靠近中夹岩一侧比远离中夹岩一侧最大主应力更大,更易发生岩爆;侧压力系数为0.8和1时的合理净距为1.5D(D为正洞宽度),侧压力系数为1.2和1.4时的合理净距为D。

关键词：隧道工程净距地应力岩爆弹性应变能

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地温梯度孕育的岩体热应力对岩爆预测的影响

西南交通大学学报 2022年第4期57卷 903-909页

作者：蒙伟何川吴枋胤陈子全周子寒寇昊西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031

为使在高地温环境下通过水压致裂获得的应力更加真实地预测岩爆,提出在岩爆预测过程中应考虑地温梯度孕育的岩体热应力.结合弹性理论获得了在高地温环境下水压致裂的理论应力解;基于此理论应力解对圆形隧道进行了岩爆预测;应用岩体热应... 详细信息

为使在高地温环境下通过水压致裂获得的应力更加真实地预测岩爆,提出在岩爆预测过程中应考虑地温梯度孕育的岩体热应力.结合弹性理论获得了在高地温环境下水压致裂的理论应力解;基于此理论应力解对圆形隧道进行了岩爆预测;应用岩体热应力公式对桑珠岭隧址区的岩爆进行了预测.研究结果表明:在高地温环境下,恒定压力和水平主应力会增加约一倍的岩体热应力,裂隙重开压力会增加约两倍的岩体热应力,垂直应力不变;如果在高地温环境下直接采用水压致裂测得的应力进行岩爆预测,当水平原位地应力大于竖向原位地应力时,得到的岩爆等级偏高,当水平原位地应力在重力应力和竖向原位地应力之间时,得到的岩爆预测位置与实际不一致,当水平原位地应力小于重力应力时,得到的岩爆等级偏低;桑珠岭隧址区的岩体热应力约为重力应力的61%,若不考虑此热应力进行岩爆预测会导致严重的错误.

关键词：高地温岩爆热应力地温梯度水压致裂

基于分段单孔反演的隧址区多断层地应力分布特征

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中国公路学报 2022年第7期35卷 216-227页

作者：周子寒何川陈子全汪波蒙伟西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031

目前,针对具有多个原位地应力测试钻孔的隧址区初始地应力场反演,往往一次性将全部实测值用以计算值的回归反分析,没有考虑到隧道纵向长度远超其他方向且钻孔分布较远的特点,单个钻孔表征的临近区域地应力分布特征或反演精度被其余钻孔... 详细信息

目前,针对具有多个原位地应力测试钻孔的隧址区初始地应力场反演,往往一次性将全部实测值用以计算值的回归反分析,没有考虑到隧道纵向长度远超其他方向且钻孔分布较远的特点,单个钻孔表征的临近区域地应力分布特征或反演精度被其余钻孔实测值“拉低”,导致整体反演结果容易陷入局部优解。依托拉林铁路桑珠岭隧道、叙毕铁路斑竹林隧道、沿江高速火山隧道、木寨岭公路隧道等工程,采用多元线性回归法结合最小二乘法寻优准则,分析了隧址区仅有单个钻孔反演精度较高的原因,提出了对具有多个钻孔的隧址区分段并分别进行单钻孔回归反演的新方法。在此基础上,重点讨论了木寨岭公路隧道断层破碎带区域地应力分布特征。结果表明:分段单孔反演较多孔反演进一步提高了反演精度;地应力的分布在断层前后呈现出先急剧增大后急剧减小的特征;除自重应力与埋深存在一定关联外,两项水平主应力随断层间距或厚度的增大突变性加剧;断层之间间距、断层倾角、断层厚度均是影响地应力方向偏转大小的重要因素,断层之间间距或断层倾角越小、断层越厚,地应力方向偏转越显著。

关键词：隧道工程初始地应力场反演断层破碎带高地应力

花岗质侵入岩地层隧址区的初始地应力场反演分析

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西南交通大学学报 2022年第2期57卷 322-330页

作者：周子寒何川蒙伟汪波寇昊陈子全西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031

火山隧道隧址区地层主要以花岗闪长岩侵入砂、泥岩分布,隧道轴线穿越花岗质侵入岩附近,岩性变化剧烈,地应力分布复杂.利用地应力实测数据反分析侵入岩体区域初始地应力场分布规律以对设计、施工提供理论指导.根据火山隧道地勘资料建立... 详细信息

火山隧道隧址区地层主要以花岗闪长岩侵入砂、泥岩分布,隧道轴线穿越花岗质侵入岩附近,岩性变化剧烈,地应力分布复杂.利用地应力实测数据反分析侵入岩体区域初始地应力场分布规律以对设计、施工提供理论指导.根据火山隧道地勘资料建立三维数值模型,基于现场水压致裂法实测原位地应力数据,采用多元线性回归法反演得到工程区域初始地应力场,重点讨论了花岗闪长岩侵入面附近地应力分布规律.结果表明:花岗质侵入岩区域初始地应力场分布规律十分复杂,主应力量值及水平主应力方向均在侵入体内外侧发生剧烈变化(隧道轴线的主应力量值变化幅度为2.0~5.3 MPa,角度变化幅度为50.7°~178.8°);埋深和侵入体分布形态成为影响初始地应力场分布的重要因素,埋深越大或侵入体岩床横截面越小,初始地应力量值越大;同时侵入体前沿区域受到挤压构造作用显著,应力集中现象较为明显.

关键词：花岗质侵入岩侵入体隧道地应力反演

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考虑残余强度的层状岩体损伤演化规律

西南交通大学学报 2023年第5期58卷 1064-1072页

作者：寇昊何川陈子全周子寒蒙伟肖龙鸽西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031 中国建设基础设施有限公司北京100029

为更加真实准确地描述层状岩体的损伤演化过程,结合横观各向同性材料的弹性理论和损伤力学理论,采用修正的Lemaitre应变等价假设,建立了考虑残余强度的层状岩体损伤本构模型,通过页岩、千枚岩和板岩的三轴试验数据验证了模型的准确性,... 详细信息

为更加真实准确地描述层状岩体的损伤演化过程,结合横观各向同性材料的弹性理论和损伤力学理论,采用修正的Lemaitre应变等价假设,建立了考虑残余强度的层状岩体损伤本构模型,通过页岩、千枚岩和板岩的三轴试验数据验证了模型的准确性,并分析了不同层理角度岩体的全过程损伤演化规律.研究表明:模型既可以描述层状岩体的弹性变形,又可以较好地反映峰后应变软化过程;在初期加载过程中岩体的损伤值基本为0,随着应力增加,损伤值呈现出缓慢增长、加速增长、减速增长以及达到残余强度后稳定于1;页岩层理角度为60°时损伤演化曲线最陡,损伤发展速度最快,最先破坏,千枚岩层厚较薄,强度更低,层理角度为90°时最先破坏,而板岩相对较厚,强度更高,层理角度为45°时最先破坏;岩体层理弱面的存在,导致了力学性能和破坏模式的各向异性,损伤演化规律也表现出明显的差异性.

关键词：层状岩体各向异性本构模型残余强度损伤演化

考虑竖向地温应力的热力耦合瞬态岩爆预测研究

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铁道学报 2023年第12期45卷 16-25页

作者：李天胜何川周子寒陈子全包烨明汪波西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031 中铁十二局集团有限公司山西太原030024

水压致裂法是隧道地质勘查阶段测量地应力的单一手段,受限于水压致裂法未考虑竖向地温应力,加之岩爆预测采用稳态求解,传统岩爆预测手段将会弱化高地温隧道岩爆烈度。利用地勘资料建立康定某隧址区三维数值模型,通过剔除水平主应力中温... 详细信息

水压致裂法是隧道地质勘查阶段测量地应力的单一手段,受限于水压致裂法未考虑竖向地温应力,加之岩爆预测采用稳态求解,传统岩爆预测手段将会弱化高地温隧道岩爆烈度。利用地勘资料建立康定某隧址区三维数值模型,通过剔除水平主应力中温度应力后进行地应力反演,而后对各反演应力分量叠加地温应力获得初始地应力场并作为岩爆预测模型的应力边界条件,采用Comsol软件热力耦合模块,综合考虑洞壁与洞内环境的对流换热过程和掌子面开挖瞬间的热应力峰值效应,以瞬态求解洞壁应力,得出修正后的岩爆烈度指标。在此基础上,分析传统岩爆预测方法与考虑地温热应力的稳态、瞬态求解方法之间的区别。研究结果表明,依托的隧道工程地温热应力约占水平主应力的20.1%,约占竖向应力的20.5%,忽视地温热应力的存在将会弱化岩爆预测的烈度;考虑地温热应力的稳态岩爆预测烈度较传统岩爆预测方法增强约36.2%,而考虑地温热应力的瞬态岩爆预测烈度继续增强约14.2%;因此,高地温隧道的岩爆预测必须充分考虑地温热应力的叠加效应并以瞬态求解。

关键词：高地温地应力隧道反演岩爆

基于围岩变形主动控制理念的隧道支护时机虚拟支撑力法

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中国铁道科学 2022年第6期43卷 76-88页

作者：周子寒何川陈子全马伟斌汪波邹文浩西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100081

基于隧道纵向空间与时间效应构建求解隧道支护时机的虚拟支撑力法,并通过调整支护时机以达到主动调控围岩变形的目的。根据Drucker-Prager屈服准则,以围岩临空面单元的整体安全系数建立支护时机控制基准;利用掌子面掘进速率不变的假定,... 详细信息

基于隧道纵向空间与时间效应构建求解隧道支护时机的虚拟支撑力法,并通过调整支护时机以达到主动调控围岩变形的目的。根据Drucker-Prager屈服准则,以围岩临空面单元的整体安全系数建立支护时机控制基准;利用掌子面掘进速率不变的假定,将隧道纵向空间问题转化为时间问题;基于围岩应力释放率和围岩整体位移完成系数与掌子面纵向推进的相互关系,提出求解支护体系(初期支护或超前支护)支护时机的力学模型及虚拟支撑力求解方法。依托成兰铁路茂县隧道,分别求解围岩级别不同、埋深不同、侧压力系数不同时支护体系的极限支护时机,对比有无超前支护2种情况下隧道变形的监测结果与求解方法得到的计算结果,验证该方法的有效性。结果表明:隧道Ⅲ级围岩拱顶和拱底的安全系数大于拱腰;围岩级别对支护时机的影响最大,其次为应力水平,最次为埋深;求解方法的计算结果与隧道实测结果间的绝对误差仅为1.3 cm,支护时机对围岩变形的主动控制效应显著。

关键词：隧道变形主动控制支护体系支护时机初期支护超前支护

非对称渗流边界小净距隧道渗流场特征及结构安全分析

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西南交通大学学报 2023年

作者：喻炳鑫陈子全何川李铮蔡鹏麟张航西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室重庆市城市建设投资(集团)有限公司

为探究非对称渗流边界条件下小净距隧道渗流-应力场特征及衬砌结构的安全性，以深圳莲塘隧道为工程背景，开展小净距隧道渗流模型实验，并结合模型试验与相似模拟的方法，分析单侧水源条件下小净距隧道围岩渗流水压力分布规律，并揭示... 详细信息

为探究非对称渗流边界条件下小净距隧道渗流-应力场特征及衬砌结构的安全性，以深圳莲塘隧道为工程背景，开展小净距隧道渗流模型实验，并结合模型试验与相似模拟的方法，分析单侧水源条件下小净距隧道围岩渗流水压力分布规律，并揭示不同补水距离条件下渗流场的演化规律和衬砌的安全性。结果表明：在单侧水源条件下，小净距隧道围岩渗流场呈现出显著的不对称分布，从补水边界到另一侧水位面呈非线性降低，在隧道附近的围岩中水压力在水平方向呈不对称的“W”形分布；围岩渗流场的不对称分布导致了左右洞水压力、排水量和安全系数的不对称；与远离水源的隧道相比，靠近水源的隧道平均水压力和排水量分别增大10.4%和5.5%，安全系数减小3.0%，并且水压力不对称性更显著；从施工期到运营期，围岩和衬砌水压力分布的不对称性有小幅度增大；随着补水距离的增大，衬砌水压力线性减小，安全系数增大，水压力不对称系数增大；研究结果可为富水地区非对称渗流边界隧道的施工和运营提供一定的参考。

关键词：小净距隧道非对称渗流边界水源距离渗流结构安全