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穿断层破碎带隧道围岩大变形控制双梯度注浆机制

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隧道建设（中英文） 2024年第6期44卷 1194-1213,I0023-I0042页

作者：陶志刚孙吉浩曹振生胡才郭隆基何满潮中国矿业大学(北京)隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与土木工程学院北京100083 中电建路桥集团有限公司北京100160 中铁大桥局集团第六工程有限公司湖北武汉430100

近些年,中国西部大量深埋隧道工程因关键线路控制无法避让一些活动性断裂,常常在跨越断裂带范围内出现围岩大变形破坏现象,例如侵限、偏压、塌方、底鼓等灾害,严重影响隧道工程施工和运营的安全可持续发展。为了控制断层破碎带隧道围岩... 详细信息

近些年,中国西部大量深埋隧道工程因关键线路控制无法避让一些活动性断裂,常常在跨越断裂带范围内出现围岩大变形破坏现象,例如侵限、偏压、塌方、底鼓等灾害,严重影响隧道工程施工和运营的安全可持续发展。为了控制断层破碎带隧道围岩大变形,隧道工程设计者和建设者采用了多种控制方案,例如超前注浆、多层钢拱架被动支护、锚杆索主动支护等,但是都因断层破碎带围岩强度过低而出现超前注浆诱发围岩拉裂破碎、主动支护锚杆锚固力不足等现象。为解决上述难题,首先,提出一种增强穿断层破碎带隧道围岩强度的双梯度注浆技术,建立双梯度注浆概念模型,构建3种双梯度注浆模式;然后,确定特定工况下注浆材料粒径梯度与注浆压力梯度的适配条件;最后,通过理论分析、物理模型试验和现场试验,探索双梯度注浆机制及其控制效果。研究结果表明:1)随着开挖步序的增加,穿断层破碎带隧道拱肩变形最大,构造应力对围岩稳定性影响较大。2)在双梯度注浆作用下,浆液扩散效果良好,围岩未出现大面积脱落破坏,隧道周围岩体应力分布均匀。3)双梯度注浆形成了坚硬交叉浆脉骨架,达到了应力补偿效果,将围岩变形量从原来的3 100 mm控制到278 mm以内,实现了“零换拱、零侵限、零突涌”的目标。

关键词：隧道断层破碎带围岩大变形双梯度注浆开挖补偿法

不同应力水平下地下厂房洞室群围岩大变形微震b值特征

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Journal of Central South University 2022年第2期29卷 693-711页

作者：李彪丁泉富徐奴文戴峰许媛曲宏略 School of Geoscience and Technology Southwest Petroleum UniversityChengdu 610500China State Key Laboratory of Explosion Science and Technology Beijing Institute of TechnologyBeijing 100081China State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering College ofWater Resource and HydropowerSichuan UniversityChengdu 610065China Department of Engineering Science University of OxfordOX51PFUnited Kingdom

地下厂房洞室群围岩大变形已成为中国西南地区水电工程的严重灾害,围岩大变形孕育过程中将产生一系列的岩石破裂,运用微震监测技术可监测到这些破裂信息。在地应力水平不同的两个典型地下厂房洞室群构建精度微震监测系统,分析了围岩大... 详细信息

地下厂房洞室群围岩大变形已成为中国西南地区水电工程的严重灾害,围岩大变形孕育过程中将产生一系列的岩石破裂,运用微震监测技术可监测到这些破裂信息。在地应力水平不同的两个典型地下厂房洞室群构建精度微震监测系统,分析了围岩大变形微震b值及其时间变化特征。结果表明,高地应力地下厂房洞室群围岩大变形过程微震b值小于1.0,而低地应力情况下微震b值大于1.5。对于高、低地应力地下厂房洞室群而言,围岩大变形前十日内,微震b值均出现超过10%的下降。研究成果有助于提高围岩大变形微震震源破裂特征的认识,也可为地下厂房洞室群围岩大变形预警提供重要参考。

关键词：地下厂房洞室群围岩大变形应力水平微震监测 b值

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隧洞围岩大变形机制、挤压大变形预测及应用

岩石力学与工程学报 2023年第3期42卷 521-544页

作者：丁秀丽张雨霆黄书岭池建军张传健刘登学长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室湖北武汉430010 中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222 长江勘测规划设计研究有限责任公司湖北武汉430010

未来较长一段时期,我国水利水电和公路铁路行业还存在建设大量隧洞(道)工程的需求。围岩大变形是隧洞工程建设中时常遇到且最难控制的灾害之一。以隧洞围岩大变形为研究对象,首先,系统分析大变形概念的由来和演变过程,提出应从岩体变形... 详细信息

未来较长一段时期,我国水利水电和公路铁路行业还存在建设大量隧洞(道)工程的需求。围岩大变形是隧洞工程建设中时常遇到且最难控制的灾害之一。以隧洞围岩大变形为研究对象,首先,系统分析大变形概念的由来和演变过程,提出应从岩体变形影响效应及其工程意义来定义围岩大变形,再通过分类来辨别大变形的发生条件和力学机制。在系统梳理国内外已建工程案例和作者团队参与的典型隧洞围岩大变形工程实践基础上,依据国内外48个隧洞工程的241个洞段案例信息,详细论述围岩大变形的影响因素和发生条件,阐明8种基于赋存环境条件(地应力、地下水)和围岩条件(岩性、水岩作用效应、岩体结构)协同或单独作用的围岩大变形发生机制,进而揭示了内蕴于每种发生机制中的本质原因,提出基于变形成因的围岩大变形分类思路,将围岩大变形划分为挤压、膨胀、松动和复合共4种类型,并论述每种围岩大变形的特征和不同类型大变形的区别。然后,针对挤压型大变形,总结分析了国内外与挤压变形相关的判据,提出了基于强度应力比法的判据阈值、考虑地应力侧压系数的大变形应力判别条件、以及挤压变形改进预测公式。最后,将所提判据和预测公式应用于滇中引水工程香炉山隧洞大埋深洞段的围岩挤压变形判别和预测,验证所提方法的可靠性。

关键词：岩石力学隧洞围岩大变形发生机制挤压型大变形判据预测方法

高地应力作用下渭武高速木寨岭隧道围岩大变形灾变预测分析研究

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地质力学学报 2023年第6期29卷 786-800页

作者：范玉璐曹佳文余顺丰成君张鹏孟静戚帮申王惠卿中国地质科学院地质力学研究所北京100081 北京市勘察设计研究院有限公司北京100038 自然资源部活动构造与地质安全重点实验室北京100081 中国地质调查局新构造与地壳稳定性研究中心北京100081 中国地质调查局北京100037 北京特种工程设计研究院北京100028 中国地质环境监测院北京100081

为解决在建渭武高速木寨岭隧道施工过程中遇到的高地应力环境下软岩大变形问题,基于工程区已有地应力实测数据,利用ANSYS有限元软件建立三维地质模型,反演工程区地应力场,并结合Hoek围岩变形预测公式计算分析隧道围岩的变形量。结果表明... 详细信息

为解决在建渭武高速木寨岭隧道施工过程中遇到的高地应力环境下软岩大变形问题,基于工程区已有地应力实测数据,利用ANSYS有限元软件建立三维地质模型,反演工程区地应力场,并结合Hoek围岩变形预测公式计算分析隧道围岩的变形量。结果表明:工程区的地应力场主要受断裂控制,其次还受到岩体强度和地形的双重影响,强构造变形区的水平主应力值普遍低于弱构造变形区,沿隧道轴线三向主应力大小关系为最大水平主应力(S_H)>最小水平主应力(S_h)>垂直应力(S_V),强构造变形区最大水平主应力值在G8区段最大,而在G6区段和G11区段最小;弱构造变形区的水平主应力值自G12区段开始逐渐增大,直至G14中段开始因埋深减小而逐渐降低。沿隧道轴线最大水平主应力方向总体为北东向,而在断裂间挤压构造带多偏转为北东东—近东西向。高速公路隧道围岩变形受岩体强度和地应力场的双重影响,其中,岩体强度占主导作用,围岩变形量主要集中在20~80 cm范围内,变形等级以中等和强烈为主。

关键词：木寨岭隧道高地应力环境围岩大变形地应力场反演隧道稳定性

考虑劣化效应与注浆加固的隧道围岩黏弹塑性大变形分析

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铁道科学与工程学报 2023年第12期20卷 4690-4700页

作者：张帅王俊杰重庆交通大学土木工程学院重庆400074 重庆交通大学材料科学与工程学院重庆400074

高地应力软岩中开挖隧道时,由于应力释放、流变效应等原因容易引发围岩大变形、支护结构侵限等工程问题,通过分析围岩大变形的变形机理,提出“加长锚杆+喷射混凝土(含钢拱架)+环向(滞后)注浆”的支护形式。其中,加长锚杆可以有效改善围... 详细信息

高地应力软岩中开挖隧道时,由于应力释放、流变效应等原因容易引发围岩大变形、支护结构侵限等工程问题,通过分析围岩大变形的变形机理,提出“加长锚杆+喷射混凝土(含钢拱架)+环向(滞后)注浆”的支护形式。其中,加长锚杆可以有效改善围岩自身条件并使围岩挤压变形逐步释放,环向(滞后)注浆可以提高围岩参数并控制围岩松动变形。通过建立的深埋圆形隧道围岩力学模型,借助Mohr-Coulomb屈服准则与Maxwell黏性体,得到考虑围岩强度参数与刚度参数(弹性模量E)同时劣化的深埋圆形隧道围岩黏弹塑性解析式,借助FLAC-3D有限差分软件进行验证后,对相关影响因素进行分析。研究结果表明:计算高地应力软岩隧道围岩变形量时,适当考虑强度参数与刚度参数同时劣化后得到的围岩变形值更符合实际。采用“加长锚杆+喷射混凝土(含钢拱架)+环向(滞后)注浆”的支护形式对围岩大变形有一定的控制效果,注浆后的围岩总变形量与未注浆时相比下降了40%,注浆后的围岩变形量仅占总变形量的20%。残余黏聚力c"、残余内摩擦角φ"、残余弹性模量E"取值越小时,围岩变形量越大,其中残余弹性模量E"的取值对围岩变形影响最大。缩小锚杆间距、增加初期支护厚度、增大注浆区围岩参数均能降低围岩变形量。

关键词：隧道围岩劣化效应注浆加固黏弹塑性围岩大变形

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隧道围岩大变形分类及展望

隧道建设（中英文） 2023年第S2期43卷 27-40页

作者：许崇帮郑子腾辛红升缪圆冰杜驹交通运输部公路科学研究院北京100088 浙江交投高速公路运营管理有限公司浙江杭州310000 福州大学土木工程学院福建福州350002 中铁十一局集团第五工程有限公司重庆400037

为清晰完整地认知隧道围岩大变形,方便后续的深入、具体研究。基于既有研究内容,将具有明显时间效应和塑性变形,产生的变形超过了规范允许的变形量且严重影响隧道工程的正常使用,最终导致隧道丧失整体结构稳定性的围岩变形现象定义为隧... 详细信息

为清晰完整地认知隧道围岩大变形,方便后续的深入、具体研究。基于既有研究内容,将具有明显时间效应和塑性变形,产生的变形超过了规范允许的变形量且严重影响隧道工程的正常使用,最终导致隧道丧失整体结构稳定性的围岩变形现象定义为隧道围岩大变形;从变形成因角度重新划分隧道围岩大变形的类型为:膨胀型、高地应力软岩型、黄土型、高地温型和复合型;归纳总结不同类型隧道围岩大变形的变形机制、本构模型、支护理论等,并总结针对不同类型围岩大变形现象采取的控制措施和施工方法。在此过程中,针对存在的不足提出未来可能的发展趋势:1)完善隧道围岩大变形机制,并通过现场检测、模型试验与有限元分析模拟总结出隧道围岩大变形规律以及受力特点,为工程实践提供科学依据,实现大变形的精确支护。2)统一不同类型的隧道围岩大变形分级控制措施。由于工程的多变复杂和特殊性,难以总结出普适性的大变形分级控制措施,但基于大量的隧道围岩大变形案例,制定出不同类型隧道的围岩大变形分级控制措施依然具有很高的工程参考价值。

关键词：隧道围岩大变形大变形分类理论研究变形控制措施

膨胀性页岩铁路隧道围岩大变形机制及化学抑制技术研究

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安全与环境工程 2022年第6期29卷 34-41,77页

作者：李靖杰张馨孙金山张湘平赵志涛董千张震胡玲玲中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 江汉大学精细爆破国家重点实验室湖北武汉430023 中铁十八局集团有限公司天津300222

针对鄂西地区页岩地层中铁路隧道施工易发生围岩大变形、初期支护失效开裂等工程灾害,依托鄂西典型铁路隧道工程,在对其工程地质、水文地质条件和隧道围岩大变形灾害的特征进行调查的基础上,采用室内试验的方法对大变形区域的页岩进行... 详细信息

针对鄂西地区页岩地层中铁路隧道施工易发生围岩大变形、初期支护失效开裂等工程灾害,依托鄂西典型铁路隧道工程,在对其工程地质、水文地质条件和隧道围岩大变形灾害的特征进行调查的基础上,采用室内试验的方法对大变形区域的页岩进行了水理特征和矿物成分分析,并基于抑制岩石膨胀性相关的化学原理,遴选了氯化钾、硅酸钾、磺化沥青粉等10种化学试剂,开展了岩石线性膨胀率试验与岩心崩解试验,探究不同化学试剂对页岩膨胀性的抑制效果与岩心崩解性抑制效果。结果表明:依托工程所处页岩的矿物成分以伊利石和绿泥石类黏土矿物为主,属强崩解性的弱膨胀岩,其微观结构裂隙发育且定向层状排列特征明显,水分易于侵入,进而导致层间黏结能力下降;磺化沥青粉和硅酸钾对于页岩膨胀性具有良好的抑制效果,聚丙烯酸钾和聚阴离子纤维素钾盐可以显著抑制岩心崩解。该研究成果可为类似膨胀岩隧道设计与施工提供新的技术路线,为化学法防治膨胀岩隧道灾害提供基础支撑。

关键词：页岩膨胀岩隧道围岩大变形化学抑制

梦笔山隧道围岩大变形特征及施工控制技术研究

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隧道建设（中英文） 2023年第S2期43卷 535-543页

作者：郝道明李耀四川兴蜀公路建设发展有限责任公司四川成都610041 中铁十一局集团有限公司湖北武汉430000

为控制梦笔山隧道施工过程中围岩的大变形,避免出现掌子面垮塌、围岩变形侵限、初期支护开裂掉块、钢架扭曲失效等问题,总结梦笔山隧道围岩大变形的发展特征,深入分析围岩大变形的作用机制和产生原因,结合隧道地质条件和变形特征,分别... 详细信息

为控制梦笔山隧道施工过程中围岩的大变形,避免出现掌子面垮塌、围岩变形侵限、初期支护开裂掉块、钢架扭曲失效等问题,总结梦笔山隧道围岩大变形的发展特征,深入分析围岩大变形的作用机制和产生原因,结合隧道地质条件和变形特征,分别从超前预报和超前支护、隧道开挖方法、合理的预留变形量以及隧道支护参数等方面提出相应的控制措施,并通过隧道变形监测验证控制措施的有效性。研究结果表明:1)梦笔山隧道围岩大变形主要表现为掌子面垮塌、围岩变形发展迅速、水平收敛显著、进出口段围岩变形突出等特征,特殊的地质构造、软弱的岩性和局部发育的地下水环境是导致梦笔山隧道围岩大变形的主要原因;2)根据围岩变化特征和实际施工情况,采用上下台阶预留核心土法能够尽量减小隧道开挖扰动,并充分释放围岩内部应力,配合合理的预留变形量和恰当的隧道支护结构,能够将隧道水平收敛和拱顶沉降累计值分别控制在400 mm和100 mm以内,大大降低围岩侵限的风险;3)隧道围岩大变形的控制应当在工程实践中找到合理的施工方法、适当的预留变形量以及适宜的支护结构和支护时机。

关键词：隧道工程围岩大变形炭质千枚岩变形机制控制措施

莲花隧道软弱围岩大变形预测方法适用性评价研究

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工程地质学报 2022年第5期30卷 1689-1702页

作者：张沛远张晓平张晗崔建航刘泉声樊文胜李玉生武汉大学土木建筑工程学院岩土与结构工程安全湖北省重点实验室武汉430072 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室武汉430072 江西省交通投资集团有限责任公司南昌330025

评估地质条件以及开挖风险是地下空间设计和施工中的重要阶段之一。在选择合适的开挖方法和支护系统时,识别和估计岩体的变形潜在趋势非常重要。在本研究中,对萍莲高速莲花隧道中的岩体变形潜在趋势进行了研究。首先介绍了莲花隧道的工... 详细信息

评估地质条件以及开挖风险是地下空间设计和施工中的重要阶段之一。在选择合适的开挖方法和支护系统时,识别和估计岩体的变形潜在趋势非常重要。在本研究中,对萍莲高速莲花隧道中的岩体变形潜在趋势进行了研究。首先介绍了莲花隧道的工程地质环境、隧道围岩工程特性、岩体质量评价以及现场实测的隧道变形情况,然后运用经验法和半经验-半理论法预测莲花隧道变形趋势,并将预测结果与实际变形监测情况进行对比。结果表明,莲花隧道的大变形主要受松散破碎、遇水膨胀的软弱围岩和丰富的地下与地表水以及断层破碎带与构造活动的影响。对于莲花隧道而言,现行大变形预测方法普遍存在一定问题:经验法主要依据岩体质量分级结果进行变形趋势预测,具有一定的主观性,其预测结果与实际变形情况存在一定偏差;半经验-半理论方法中运用围岩强度与应力关系进行预测效果较好,但基于围岩强度应力比的Jethwa法、Hoek法与ISRM法预测结果偏保守,且针对无变形段的预测效果较差。综上所述,在工程勘察与设计阶段,应客观、细致地进行围岩质量分级、地应力量测、地下水与地质构造勘探等工作,结合经验法、半经验-半理论方法对大变形趋势和变形量值进行预测,综合研判隧洞沿线变形趋势,为大变形支护结构设计、施工措施提供充分可靠的依据。

关键词：公路隧道围岩大变形大变形预测大变形机理适用性评价