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高地应力隧道施工岩爆风险评估方法与应用研究

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高地应力隧道施工岩爆风险评估方法与应用研究

作者：曹海洋成都理工大学

学位级别：硕士

随着国家“十三五”规划的具体实施,川藏铁路等西部重大工程已经立项规划研究。由于西南地区在印度板块和欧亚板块的联合作用下形成了较高地区地应力场,故长大深埋的高地应力隧道工程还会持续出现。在这种恶劣的地质条件下,岩爆作为高... 详细信息

随着国家“十三五”规划的具体实施,川藏铁路等西部重大工程已经立项规划研究。由于西南地区在印度板块和欧亚板块的联合作用下形成了较高地区地应力场,故长大深埋的高地应力隧道工程还会持续出现。在这种恶劣的地质条件下,岩爆作为高地应力隧道地质灾害的一个重要灾种常常发生在隧道施工过程中,并且隧道风险事故存在时间上的突然性和空间上的不确定性。目前隧道施工中虽然岩爆发生频率没有塌方、涌突水等地质灾害高,但已有工程案例显示岩爆事故危害影响到了隧道系统工程的正常作业和基本生命财产安全。岩爆风险评估作为隧道风险评估中的重要组成部分已经不容忽视,隧道岩爆的风险评估技术研究是减少岩爆地质灾害的基础,是对隧道工程风险评估的重要补充,具有重要的理论和工程实践意义。从岩爆发生的机理及相关理论的角度出发分析隧道施工过程中岩爆安全风险因素,运用定性和定量的风险评估方法对高地应力隧道岩爆风险进行分析评估。结合隧道工程施工工序,从致灾体和受灾体相互关系及经济、人员损失出发研究岩爆风险的严重程度。主要取得了以下成果:(1)通过28个隧道和地下工程岩爆地质灾害案例的整理统计,分析了隧道岩爆发生的原因和条件。通过分类、计算和分析案例中岩爆影响因素如岩性、围岩完整性、岩体强度、地应力、隧道埋深、断面面积、地下水发育状况找出岩爆风险与各影响因素之间的相互联系,为指标打分体系提供有力的工程实践支撑。根据岩爆因子参数实验和岩爆烈度理论判据分别获取岩爆因素的定量指标参数和岩爆烈度的级别,为开展高地应力隧道施工岩爆可能性定性和定量评估提供支持和依据。(2)在《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》隧道风险评估的一般要求和流程的基础上,补充建立了一套适合隧道施工岩爆风险的指标评价体系。选取围岩岩性、完整性、岩体强度、地应力、地下水、隧道埋深和断面面积等因素组成的岩爆风险指标打分体系,对隧道岩爆可能性等级及程度进行评价。并通过属性数学法对隧道岩爆可能性等级进行评估,运用这种定量化程度更高的方法验证比较岩爆指标体系打分法对岩爆风险评价的准确性及合理性。根据隧道工程各作业工序的特点,将隧道岩爆烈度与隧道工程分部分项的作业工序相结合评价岩爆严重性程度大小。根据致灾体和受灾体相互作用关系,对人员伤亡、经济损失、工期延误的标准和事故损失归属等级的原则进行了简单的分析。最后以雅康高速二郎山隧道工程为例,初步应用验证了上述隧道施工岩爆风险评估方法。(3)选取贝叶斯后验概率理论作为隧道施工岩爆风险的定量评估方法,针对岩爆风险选取岩石的应力强度比σ/σ、弹性能量指数W和脆性系数σ/σ三个参数,并结合搜集整理出的51个具体学习样本,通过MATLAB编程建立该岩爆风险评估理论的定量模型。通过模型的学习训练和误判率的分析,最终样本准确率达到了90.2%。该模型可以分别得到无岩爆、一级岩爆(轻微岩爆或弱岩爆)、二级岩爆(中等岩爆)、三级岩爆(强烈岩爆)的可能性概率值P、P、P、P,因此大大提高了评估的量化程度。在接下来6个对比验证样本中,验证结果基本符合实际情况,表明使用这种方法评价岩爆具有一定的正确性和适用性。在岩爆的严重性评价中采用了不同级别岩爆对应的影响因子计算事故损失,并根据人员伤亡、经济损失、工期延误等方面的损失标准,初步探讨建立综合的统一货币计量损失标准。最终得到各级可能性和损失相结合累加的总风险。最后以巴陕高速米仓山隧道工程为例,初步应用验证了上述隧道施工岩爆风险评估方法。(4)借鉴PDCA产品质量管理循环的思想,综合考虑高地应力条件下岩爆隧道的特点,提出一套比较适合岩爆隧道施工风险管理的ERPAC管理模式,即开挖(Excavation)、记录(Register)、计划(Plan)、处理(Act)、检查(Check)。探讨了风险管理机制中各方之间的协同关系,明确了管理单位各方的职责,提高管理因素在高地应力隧道施工建设中的积极作用。

关键词：高地应力隧道岩爆因素风险评估定性定量模型

三台阶七步法施工高地应力隧道支护结构受力特性分析

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现代隧道技术 2016年第1期53卷 96-102,110页

作者：张德华刘士海任少强北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京市市政工程研究院北京100037 中铁二十局集团有限公司西安710016

文章以兰新铁路大梁山高地应力隧道为工程背景,展开三台阶七步法施工高地应力隧道支护结构受力特性研究。通过现场监测及三维数值仿真模拟,对施工过程中的围岩-初期支护接触压力、拱架所受的拉压应力及变形规律进行系统研究。现场监测... 详细信息

文章以兰新铁路大梁山高地应力隧道为工程背景,展开三台阶七步法施工高地应力隧道支护结构受力特性研究。通过现场监测及三维数值仿真模拟,对施工过程中的围岩-初期支护接触压力、拱架所受的拉压应力及变形规律进行系统研究。现场监测及数值分析结果表明:(1)支护结构变形均基本满足设计规定的沉降控制指标(350 mm)及《铁路隧道设计规范》对沉降、收敛的相关要求;(2)围岩-初期支护接触压力及支护结构变形值均随着工序开展而不断增加,最大值均出现于侧墙拱腰部位,其中接触压力最大值为845.8 k Pa,收敛最大值为365 mm;(3)初期支护的最小主应力σ3逐渐增大并全部表现为压应力,其绝对值大于最大主应力;最小主应力σ3在仰拱闭合后各点基本达到最大值,趋于稳定;(4)高地应力隧道开挖过程中围岩将产生较大塑性区,拱肩及拱底部位发展最快,仰拱封闭是变形控制的关键点。因此,施工时应加快初期支护封闭成环,以减小应力增加,增强初期支护安全性。

关键词：高地应力隧道初期支护三台阶七步法受力特性现场试验

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川藏铁路高地应力隧道减灾选线

地球科学 2022年第3期47卷 803-817页

作者：陈仕阔周航廖昕陈兴强赵晓彦王志民西南交通大学地球科学与环境工程学院四川成都611756 中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031 中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043

新建川藏铁路由于途径区域构造作用强烈地区,隧道建设中面临的高地应力问题将异常复杂,由此引发的岩爆和大变形成为制约川藏铁路高地应力隧道地质勘察和选线设计的重大难题.当隧道穿越工程地质条件极其复杂的高地应力区时,确定针对性较... 详细信息

新建川藏铁路由于途径区域构造作用强烈地区,隧道建设中面临的高地应力问题将异常复杂,由此引发的岩爆和大变形成为制约川藏铁路高地应力隧道地质勘察和选线设计的重大难题.当隧道穿越工程地质条件极其复杂的高地应力区时,确定针对性较强的地质指标对岩爆和大变形危险性综合评价尤为重要.在综合分析岩爆和大变形主要影响因素的基础上,归纳总结了复杂艰险山区深埋长大隧道岩爆和大变形灾害的破坏特征及关键影响因子,并构建了完善的评价指标体系.基于此,结合层次分析法和熵权法,通过引入距离函数建立组合赋权规则综合反映主观权重和客观权重的影响,进而确定各个评价指标的权重系数,并依据理想点理论及计算规则,采用闵可夫斯基距离函数构建了川藏铁路高地应力隧道减灾选线模型.以新建川藏铁路某高地应力隧道为例,通过计算各里程段与理想点的距离,对3条线路方案进行岩爆和大变形风险评估的综合比选.研究结果表明川藏铁路某隧道CK线路总岩爆段落占比24.9%,其中不可控岩爆段落占比13.4%,分别比C1K和C2K线路低3.0%、9.1%;CK线路可能发生大变形的区段最少,且其发生中等和强烈大变形的区段分别比C1K、C2K线路低5.0%、5.3%;综合对比可知CK线路为最优方案.本文定量分析了岩爆和大变形灾害对川藏铁路高地应力隧道的潜在影响,对于川藏铁路高地应力隧道沿线地质灾害规避及防控具有一定的借鉴与指导作用.

关键词：川藏铁路高地应力隧道减灾选线危险性评价评价指标体系工程地质

初期支护对高地应力隧道岩爆及微震活动的影响效应研究

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初期支护对高地应力隧道岩爆及微震活动的影响效应研究

作者：曾俊成都理工大学

学位级别：硕士

随着大量重大工程建设项目在我国西部地区涌现,伴随产生了众多的深埋长大隧道工程。因此,由深埋问题导致的高地应力工程地质灾害越来越频繁,其中以高地应力引起的岩爆灾害最为突出,对工程安全造成了不可估量的影响。岩爆主要是由于人类... 详细信息

随着大量重大工程建设项目在我国西部地区涌现,伴随产生了众多的深埋长大隧道工程。因此,由深埋问题导致的高地应力工程地质灾害越来越频繁,其中以高地应力引起的岩爆灾害最为突出,对工程安全造成了不可估量的影响。岩爆主要是由于人类的工程活动破坏了围岩原始应力状态,围岩在应力重分布过程中伴随多方面因素共同导致隧道在开挖过程中围岩突然失稳的动力破坏。目前,在对岩爆防控的研究中主要揭示了支护结构作用原理、岩爆对支护结构的影响以及基于微震监测的岩爆防控理论,实则初期支护作为主要提供抗力的结构,对围岩内部的应力和变形都有着不可忽视的影响。但还未深入研究支护结构对围岩变形开裂的影响,且较少考虑隧道初期支护结构作用对岩爆和微震(microseism,简称MS)活动特性的影响。基于上述背景,本文以米仓山隧道和大峡谷隧道的强烈应力调整和岩爆段为对象,结合微震监测技术和数值模拟(GDEM),在米仓山隧道和大峡谷隧道丰富的微震监测数据、岩爆信息、施工参数和地质资料基础上,系统的开展了初期支护结构体系对高地应力隧道硬岩岩爆灾害和微震活动性影响研究。最后,针对强烈应力调整段和岩爆孕育过程中各阶段提出支护策略。研究结果对深埋地下工程岩爆防控研究具有重要的理论价值和实践价值。论文的主要研究工作和成果如下:(1)基于定量微震理论和python编程语言编写了微震震源参数和微震信号时频域计算程序,主要包括低频幅值、拐角频率、地震矩、应力降、矩震级、视应力、微震能量、视体积、能量指数、b值、频谱图、时频图、主频、重心频率和频率标准差等计算,实现了微震事件的微震参数快速提取。(2)引入隧道初期支护等效刚度计算方法对米仓山隧道和大峡谷隧道研究段的初期支护刚度进行了评价。从微震活动参数、震源参数空间、震源参数和微震信号频域参数四个方面揭示了不同刚度初期支护结构作用下围岩强烈应力调整段的微震活动特征、微震事件类型分布特征、微震矩震级特征、应力应变特征、微震信号频域特征。这些参数在不同刚度初期支护结构作用下有明显的异同特征。(3)揭示了大量岩爆案例和米仓山隧道“Z12.29”岩爆的微震活动性、震源参数、微震信号频域参数的演化特征及规律。其中,MS事件活跃性、微震活动度s值、能量指数、累积视体积、能量演化阶段、b值、Z值以及微震信号主频都有明显的异常变化。以米仓山隧道右洞K46+140 m～K45+770 m(左洞ZK46+140 m～ZK45+990 m)段施工过程中的六期岩爆灾害为对象,通过定量微震理论探究了不同刚度初期支护结构作用对岩爆灾害孕育过程的影响效应和不同刚度初期支护结构作用下岩爆灾害的前兆微震规律。(4)结合微震分析结果,基于GDEM数值模拟软件进一步开展了不同刚度初期支护结构围岩破裂效应与机制分析。主要包括依据米仓山隧道研究段的围岩岩性、地应力条件、施工参数以及岩石力学参数等资料,建立了米仓山隧道的掘进模型;对两种不同刚度支护条件下围岩破裂过程中支护结构和围岩的应力演化、变形和破坏类型演化分析。(5)在对米仓山隧道和大峡谷隧道强烈应力调整及岩爆段不同刚度初期支护结构条件下围岩微震活动特征、岩爆孕育过程特征、岩爆前兆微震规律研究基础上,提出深埋高地应力硬岩隧道强烈应力调整及岩爆段的支护策略。

关键词：高地应力隧道岩爆初期支护微震监测 GDEM

“狼”到底来不来?究竟何时来?——超高地应力隧道岩爆防控理论与技术分析

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高科技与产业化 2020年第3期26卷 24-27页

作者：李清江不详

岩爆是一种深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象,给工程施工带来了极大的隐患与困扰。尤其在高原高寒地区修建隧道时,岩爆就像一头随时可能出现、凶狠的"狼"。科研工作者们的任务便是寻找出"狼"是否会出现,以及何时出现的深层... 详细信息

岩爆是一种深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象,给工程施工带来了极大的隐患与困扰。尤其在高原高寒地区修建隧道时,岩爆就像一头随时可能出现、凶狠的"狼"。科研工作者们的任务便是寻找出"狼"是否会出现,以及何时出现的深层规律。

关键词：工程施工高地应力隧道高原高寒地区岩爆施工过程中动力破坏理论与技术科研工作者

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敞开式TBM穿越高地应力隧道支护优化研究

粘接 2023年第6期50卷 153-157页

作者：任道远高新强马泽骋樊浩博朱正国石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 河北省交通工程结构力学行为演变与控制重点实验室河北石家庄050043 河北省金属矿山安全高效开采技术创新中心河北石家庄050043

依托国家重点铁路工程雅林段孜拉山隧道穿越高地应力TBM施工段,通过精细化三维数值模拟,分析在高地应力条件下,不同支护体系对围岩变形、塑性区深度、支护结构受力情况的影响规律。研究结果表明,在高地应力条件下,围岩的超前变形在总变... 详细信息

依托国家重点铁路工程雅林段孜拉山隧道穿越高地应力TBM施工段,通过精细化三维数值模拟,分析在高地应力条件下,不同支护体系对围岩变形、塑性区深度、支护结构受力情况的影响规律。研究结果表明,在高地应力条件下,围岩的超前变形在总变形量中占比较高;较早的施作刚性较大的支护,支护结构所受压应力过大,进而导致初期支护的变形与破坏,降低施工安全性。选用超前支护、多次喷混凝土与长短锚杆相结合的支护体系,与原有施工方案相比,较好地控制了掌子面前方岩体超前变形,减小了围岩总变形量,降低了支护结构的应力水平,提高了围岩及支护的稳定性。

关键词：高地应力隧道敞开式TBM 多次喷混凝土精细化三维数值分析

层状岩体不同倾角对高地应力隧道稳定性影响分析

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交通科学与工程 2014年第2期30卷 46-50页

作者：柳厚祥郑智雄胡勇军赵明纲长沙理工大学土木与建筑学院湖南长沙410004

以层状岩体高地应力隧道为工程背景，采用数值模拟的方法，分析层状岩体的不同倾角对高地应力隧道稳定性的影响。研究结果表明：高地应力隧道相对于普通地应力隧道，其支护结构承受的荷载更大，隧道的稳定性问题更加突出；在25°～65°... 详细信息

以层状岩体高地应力隧道为工程背景，采用数值模拟的方法，分析层状岩体的不同倾角对高地应力隧道稳定性的影响。研究结果表明：高地应力隧道相对于普通地应力隧道，其支护结构承受的荷载更大，隧道的稳定性问题更加突出；在25°～65°范围内，锚杆轴力随岩层倾角增大而增大的趋势明显。结合分析结果，通过将锚杆与岩层大角度相交，使多层岩体串联，从而增大了岩体层间阻力，减小了层间剪切错动的可能性，使锚杆充分发挥销钉的作用，减小了支护结构受力，增强了隧道围岩的稳定性。

关键词：岩层倾角高地应力隧道数值模拟锚杆优化

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高原高海拔地区高地应力隧道岩爆预报方法

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 2022年第10期 125-127页

作者：倪玉江甘肃铁科建设工程咨询有限公司甘肃兰州730000

YD隧道是西藏日喀则地区某边防公路的关键性控制工程,施工过程中岩爆现象时有发生,高地应力现象对隧道工程施工质量、安全生产及过程控制等均具有较大影响,因此需要对高地应力进行超前预报预测及采取有效措施进行治理;YD隧道采用水压致... 详细信息

YD隧道是西藏日喀则地区某边防公路的关键性控制工程,施工过程中岩爆现象时有发生,高地应力现象对隧道工程施工质量、安全生产及过程控制等均具有较大影响,因此需要对高地应力进行超前预报预测及采取有效措施进行治理;YD隧道采用水压致裂法对岩爆进行测试,对隧道岩爆地段的岩石特性进行了现场测试及室内相关指标试验,并对试验结果进行了详细整理和分析,对岩爆倾向、强烈程度等进行了预测,对隧道施工具有一定的借鉴和指导意义。

关键词：高原高海拔高地应力隧道岩爆预报

深埋高地应力TBM隧道岩爆倾向性影响因素分析

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铁道工程学报 2024年第11期41卷 59-65页

作者：高新强杨腾杰戴尚坤樊浩博朱正国赵静波石家庄铁道大学石家庄050043 中铁十八局集团有限公司天津300222

研究目的:岩爆灾害在深埋高地应力硬岩隧道建设过程中最为突出,因此明确影响岩爆发生的主要因素对岩爆灾害的预测和防治有重要意义。本文以西南地区某新建山岭TBM隧道为工程背景,在对岩爆发生条件总结分析的基础上,基于FLAC3D软件建立TB... 详细信息

研究目的:岩爆灾害在深埋高地应力硬岩隧道建设过程中最为突出,因此明确影响岩爆发生的主要因素对岩爆灾害的预测和防治有重要意义。本文以西南地区某新建山岭TBM隧道为工程背景,在对岩爆发生条件总结分析的基础上,基于FLAC3D软件建立TBM隧道掘进数值模型,分析地应力和围岩强度对岩爆倾向性的影响;然后采用博弈组合赋权-灰色关联分析的方法确定不同因素对岩爆倾向性的影响程度。研究结论:(1)高储能脆性岩体、足够能量来源和工程开挖卸荷为隧道岩爆的产生条件;(2)岩爆倾向性随着埋深的增大逐渐增加,侧压系数1.0时,拱顶(拱底)处岩爆倾向性最大,随着侧压系数的增大,拱顶和拱肩处岩爆倾向性逐渐增加,边墙处岩爆倾向性逐渐减小;(3)岩爆倾向性随着黏聚力的增加呈小幅增大,内摩擦角较小时,随着内摩擦角的增加岩爆倾向性逐渐增大,但内摩擦角越大其对岩爆倾向性影响越小;(4)不同因素对岩爆倾向性的影响程度为:埋深>内摩擦角>侧压系数>黏聚力;(5)本研究成果可为高地应力隧道岩爆预测的影响因素确定提供支撑,同时也可为岩爆灾害防治提供借鉴。

关键词：高地应力隧道 TBM 岩爆倾向性影响因素数值模拟灰色关联分析博弈组合赋权