大断面隧道软弱围岩-支护系统稳定性分析

采用室内试验研究手段获得隧道围岩力学特性,以Mohr-Coulomb弹塑性模型及应变软化模型为基础,采用FLAC3D数值模拟软件,构建三维数值模型,计算深埋隧道围岩特征曲线及纵剖面变形曲线,并对隧道围岩及支护结构安全性进行评价。结果表明:采用弹塑性模型计算所得的隧道围岩安全系数低于应变软化模型所得的安全系数,表明采用弹塑性模型进行支护结构设计时,支护结构安全性较低,设计中可能会增加支护材料费用,而考虑应变软化条件下的围岩安全系数更加接近于工程实际;采用极限应变值或支护结构极限承载压力所获得的围岩—支护系统安全系数较为接近,说明两种方法的差异较小,均可用于隧道围岩支护结构优化设计,采用收敛—约束法计算隧道安全稳定性更加直观,对工程实际具有一定指导作用。     

大断面隧道软弱围岩-支护系统稳定性分析北大核心CSCD

采用室内试验研究手段获得隧道围岩力学特性,以Mohr-Coulomb弹塑性模型及应变软化模型为基础,采用FLAC3D数值模拟软件,构建三维数值模型,计算深埋隧道围岩特征曲线及纵剖面变形曲线,并对隧道围岩及支护结构安全性进行评价。结果表明:采用弹塑性模型计算所得的隧道围岩安全系数低于应变软化模型所得的安全系数,表明采用弹塑性模型进行支护结构设计时,支护结构安全性较低,设计中可能会增加支护材料费用,而考虑应变软化条件下的围岩安全系数更加接近于工程实际;采用极限应变值或支护结构极限承载压力所获得的围岩—支护系统安全系数较为接近,说明两种方法的差异较小,均可用于隧道围岩支护结构优化设计,采用收敛—约束法计算隧道安全稳定性更加直观,对工程实际具有一定指导作用。     

渗流场对地铁隧道沉降与受力影响的流固耦合分析

地下水问题是富水地层地下结构设计与施工中普遍存在的问题。为探讨地下水流动对软岩地铁隧道的稳定性及衬砌支护受力的影响,根据流固耦合理论,采用三维快速拉格朗日有限差分方法,在不同地下水位及排水边界条件下,对开挖后洞室周边场地位移、应力场、孔隙水压力的分布情况进行了综合分析。结果显示,由渗流引起的渗透力一定程度上会增加隧道周边场地变形及衬砌应力。从围岩-支护结构共同作用的原理出发,验证了隧道开挖与支护结构设计时需要考虑渗流效应,反映了地下水确实对隧道稳定性有着重要影响。     

结构面分布特征对隧道围岩变形影响的数值模拟分析

结构面对隧道围岩变形及稳定性起着决定性作用。运用三维离散元方法(3DEC)研究结构面分布特征,重点是结构面线密度1/λ、强度和倾角对隧道围岩变形的影响,总结了结构面分布与围岩变形特征的关系。结果表明,在结构面强度较低的情况下,结构面线密度对隧道变形的影响较大,其影响可分为两种情况:①λ≤0.2时,围岩的弯曲变形大于沿结构面的剪切变形,属于应力型大变形;②0.2<λ≤0.4时,沿结构面的剪切变形大于围岩的弯曲变形,属于结构型大变形。结构面倾角主要影响围岩大变形发生的位置。将数值模拟结果与国内工程实例实测变形资料相对比,发现一致性较好。本研究结果对隧道支护结构的设计以及施工设计具有借鉴意义与指导作用。     

非线性破坏准则下深埋小净距隧道围岩压力研究

围岩压力大小是影响隧道稳定性的重要因素，也是进行合理支护设计与安全施工的前提。考虑围岩破坏的非线性特征，基于极限分析上限法推导深埋小净距隧道围岩压力公式，给出优化求解的过程，并与规范法进行验证对比，最后就相关影响因素做参数分析。结果表明：该方法与公路隧道设计规范的方法计算结果相对误差较小，且表现的规律一致，即两隧道内侧围岩压力大于外侧的围岩压力，也即中夹岩受力大，验证了本文计算方法的合理性；增大水平方向支护力，可有效减少隧道顶部的压力，提高隧道稳定性；竖向平均围岩压力随着净距的增大而增大，两者大致呈非线性相关的关系，增大幅度逐渐减小；围岩压力随着非线性Hoek-Brown准则中参数GSI、m_i、σ_ci增大而减小，所以对于软弱围岩，可以进行加固，改善自身力学性质，从而提高围岩自身承载力，减少隧道承受的围岩压力。     

软岩隧道围岩变形季节性特征与防控措施研究∗

以香丽高速洼里别隧道为依托,通过隧道围岩变形监测结果,分析了炭质板岩隧道围岩变形与季节性降雨之间的关系,研究了围岩旱季和雨季隧道施工围岩变形差异的原因,提出隧道围岩大变形防控措施.结果 表明,受季节性降雨的影响,洼里别隧道围岩变形呈现出一定的季节性特征,较于旱季时期,雨季施工时围岩变形呈现出变形量大且变形速率快的特点;围岩大变形因围岩条件、地下水及施工原因共同影响产生,而炭质板岩的软化性、崩解性及其岩层倾角是引发围岩大变形的内因,地下水则是造成围岩变形呈现出季节性特征的主要原因.最后,基于三个主要影响因素,提出适用于洼里别隧道的围岩变形防控措施,采用控制措施后,现场施工效果良好.     

基于地层⁃注浆体⁃管片协同作用的海底盾构隧道受力研究∗

为研究海底盾构隧道中浆液与围岩及管片的相互作用特性,以厦门地铁2号线海底盾构段为工程背景,采用数值模拟方法和现场实测方法,分析注浆的浆液凝固过程,重点研究浆液的抗压强度、刚度、收缩、蠕变等特性对隧道力学和变形的影响特征,以及不同地层分布、不同隧道埋深下的管片受力特征,并采用流固耦合研究海水位变化对管片受力的影响。计算研究表明:注浆材料的刚度比E1/E28对管片最终轴力和围岩压力影响小,变化幅度不超过0.885%,对地层变形影响相对较大,可通过添加剂调节凝结时间,尽量让浆液早一些凝固硬化;最终收缩应变增大,隧道内力和外侧压力降低,地层沉降增大,建议采用泌水率低的浆液,且其收缩值需控制在较小的范围内;蠕变参数取值对管片轴力影响较小,变化幅度最大不超过1.35%;收缩参数主要考虑注浆材料后期的凝固收缩,蠕变则主要考虑注浆材料前期的蠕变收缩;地层变化及隧道埋深变化对隧道管片受力影响显著,隧道拱顶若软土较厚,则不易形成有效压力拱,导致围岩压力荷载较大;半日潮对地层变形、管片受力的影响不大,总体发展趋势与静水位条件下相似。最后,监测结果表明,数值模拟与实测的管片水土压力时程变化规律基本一致。     

古土壤地层盾构施工引起的地表沉降分析

针对西安地铁上覆含有古土壤的黄土地层中盾构施工引起的地表沉降,在分析其产生机理、盾构施工数值模拟过程、基于经验公式的Peck地表沉降计算方法的基础上,探讨了基于注浆效果、支护压力以及偏心超挖的等代层厚度计算方法;具体分析了盾构施工数值模拟过程中的等代层弹性模量和掌子面支护压力比与Peck地表沉降计算公式中最大沉降量和沉降槽宽度之间的关系。研究结果表明,在含有古土壤的黄土地层中进行盾构施工数值模拟时,等代层模量的取值在5～10MPa范围之内,当等代层模量小于5 MPa时,隧道围岩将产生较大的塑性变形;掌子面支护压力比取值在0.5～1.0范围之内,当掌子面支护压力比小于0.5时,掌子面附近土体将产生较大的塑性变形,当掌子面支护压力比大于1时,地表将产生隆起变形。     

基于Midas模型下考虑构造应力场深埋隧道围岩稳定性研究

地应力是存在于地壳中的应力,由岩石形变而引起的介质内部单位面积上的作用力。地应力作为地下构筑物的主要影响因素,在构造应力强烈的地区开挖建设,由于洞壁成为自由表面容易变形,使洞体逐渐缩小或造成坍塌,特别在深埋隧道工程中要考虑其对开挖后围岩的影响,针对性的采取应对措施,保障深埋隧道围岩的长期稳定性。传统方法在面对其复杂的地下环境,均有局限性,适用范围狭窄,笔者通过水压致裂法测定岩层的地应力,结合Midas模型模拟深埋隧道围岩和支护结构,对其受力、变形特点进行分析,探索其分布规律,相互影响,为今后类似工程提供参考借鉴。     

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面特征及工程应用

浅埋软岩隧道顶板潜在滑移面的合理确定对于围岩压力计算及支护结构设计极为重要。本文基于隧道开挖诱发地层不均匀变形特征与顶板岩层发生张拉剪切破坏的关系,采用Peck曲线方法和数值方法来确定顶板潜在滑移面特征,进而研究了隧道覆跨比、围岩参数变化对滑移面特性的影响,并应用于实际工程。结果表明:(1)基于Peck曲线和数值分析方法来确定浅埋隧道顶板岩层潜在滑移面的形态与实测结果一致;(2)浅埋隧道顶板岩层的等效破裂角仅在围岩黏聚强度较低条件下才符合45°+φ/2,围岩级别越好,破坏范围越小,滑移面形态呈平缓的"S"型;围岩越差,破坏范围越大,滑移面形态呈竖直的"椭圆"型。随着隧道覆跨比、侧压力系数及抗剪强度指标的增大,等效破裂角呈减小趋势。地表开裂点随着覆跨比和侧压力系数增大而逐渐远离隧道轴线,随着岩体强度指标的增大而逐渐向隧道轴线迁移。     

岩溶地区双连拱隧道超前地质预报及施工技术研究

岩溶地区修建双连拱隧道难度较大,岩溶探测、支护方式选择等成为施工的关键问题。依托广西宜河高速公路某连拱隧道,根据围岩等级分别制定Ⅲ级、Ⅴ级围岩施工和支护方案,施工期间采用超前地质雷达探测隧道掌子面前方未开挖岩体,通过分析雷达反射波波形图,预测隧道中导洞存在4处溶洞,隧道开挖过程中揭露了3处溶洞,与地质雷达探测结果基本一致,证明了超前地质雷达的可靠性和重要性。针对溶洞地段采用Ⅴ级岩体支护方案,即采用套拱进行溶腔的加固处理,监测数据显示其变形基本值为0,表明该加固处理方法的可靠性。     

基于流固耦合的坡度对TBM斜井围岩的影响研究

以内蒙古新街台格庙矿区的TBM斜井工程为背景,运用FLAC3D软件建立TBM斜井施工的三维模型,基于流固耦合理论,从孔隙水压力、应力及变形3个方面对TBM隧道和TBM斜井进行对比分析,并研究了坡度对TBM斜井围岩力学特性的影响。研究结果表明:流固耦合条件下,随着施工进度的发展,TBM斜井在拱腰和拱底处的应力和变形值要大于TBM隧道的值。坡度对富水条件下的TBM隧道围岩变形和应力的影响较明显,坡度越大,围岩越易失稳,拱腰处的应力、变形及孔隙水压力变化较大,大坡度TBM斜井施工应重点注意拱腰部位的支护及防排水。研究结果可为富水大坡度的TBM斜井工程设计施工提供理论参考。     

公路隧道钻爆施工对水库及水库设施影响分析

公路隧道钻爆法施工对临近建构筑物造成的安全影响不容忽视。以隧道下穿既有水库及溢洪道水库设施施工为例,通过对坝体,围岩的振动监测,分析爆破地震波的振动特征,并采取爆破规范控制标准对其振动安全进行分析。结果表明控制掏槽孔装药量,合理的掏槽布置和装药结构是决定隧道开挖爆破的关键,爆破引起的坝体振动速度小于坝体允许振动速度,对溢洪道的影响较大,因此采用台阶法施工可以控制对坝体影响,但对近距离水库设施须采取相关措施控制爆破。     

近距双线盾构隧道开挖诱发地层变形演变规律及数值模拟

双线平行隧道盾构施工相互扰动作用对其诱发的地层变形分布特征和演变规律影响显著。以某地铁双线盾构隧道工程为例,考虑双线平行隧道间距与盾构施工相互作用影响,采用数值模拟和现场实测相结合的方法对双线平行隧道盾构施工引起的地层变形演变规律进行了对比分析,并提出了考虑近远距状态的双线平行隧道盾构施工地层变形预测模型。研究结果表明,双线盾构隧道施工地层竖向变形曲线由“V”形发展为非对称“W”形分布,沉降槽宽度由6D扩大为10D,地层深度越深非对称“双峰”特征越明显;地层水平变形曲线以两隧道中线为轴线呈反对称分布,两隧道间区域土体变形受施工扰动影响显著;地表沉降曲线分布随双线隧道近远距变化由深“V”形—浅“V”形—“U”形—浅“W”形—深“W”形—两独立“V”形演变,采用L cr=2CKH可作为双线平行盾构隧道近远距状态临界判据,本文提出的预测模型能较好地反映近远距状态及施工相互扰动对双线平行隧道盾构施工地层变形的影响规律。研究成果可为类似地铁隧道盾构施工变形预测与精细化控制提供科学参考。     

上海软土地铁隧道沉降及横向收敛变形的原因分析及典型特征

软土地区盾构法隧道变形主要包括纵向不均匀沉降和横向收敛变形。当纵向沉降累计变形、不均匀变形坡度以及变形速率等达到一定程度,横向水平直径相对标准圆变化量超过一定数值,就会引起隧道结构受力的安全问题。上海地铁自1995年1号线开通后,针对地下线路每年2次沉降监测,高架区间每年1次沉降监测,自2011年全路网地下隧道每年1次横向收敛监测,积累了大量宝贵的实测数据。对上海地铁隧道近25年的变形数据进行分析,总结了隧道纵向不均匀沉降原因及典型特征。对四种隧道横向收敛变形的分析方法和结论进行对比,总结横向收敛变形的特征。可为类似软土地质条件的城市地铁隧道结构设计、施工及运营期维护保障提供参考,减小结构破坏风险,保障城市地铁运营安全。     

特大断面板岩隧道施工期围岩变形时空效应分析

目前,关于特大断面板岩隧道施工期围岩时空变形规律缺乏系统性的总结。以沪昆客运专线长昆湖南段姚家隧道为例,结合变形监测资料,分析在不同开挖方法下特大断面板岩隧道施工期围岩时空变形规律,划分围岩变形-时间特征曲线及围岩变形-距掌子面距离关系曲线的类型;分析围岩位移释放率与时间和距掌子面距离的关系,研究围岩级别和空间位置对特大断面板岩隧道施工期围岩变形时空效应的影响规律。结果表明:围岩变形-时间特征曲线的类型可分为"弯弓"型和"台阶"型。"弯弓"型划分三个变形阶段,适用于Ⅲ、Ⅳ级围岩;"台阶"型划分四个变形阶段,适用于Ⅴ级围岩。围岩变形与距掌子面距离的关系曲线的类型可分为"单厂"型和"双厂"型。"单厂"型曲线出现在Ⅲ、Ⅳ级围岩地段,当监测断面距掌子面超过5倍洞径时,围岩变形趋于稳定,空间效应趋于消失;"双厂"型曲线出现在Ⅴ级围岩地段,当监测断面距掌子面超过3倍洞径时,围岩变形基本趋于稳定。最后,提出了不同围岩级别下隧道围岩径向位移释放率随时间和距掌子面距离的变化规律,研究结论对于特大断面板岩隧道围岩长期稳定性的研究具有借鉴价值。     

软岩隧道预应力锚固系统中钢带的结构效应研究∗

预应力锚固系统为核心的变形主动控制技术为隧道挤压大变形的治理开辟了新途径,作为其中协同支护的钢带,其受力特性及结构效应未明确。鉴于此,在分析钢带主要结构形式的基础上,理论分析与数值仿真结合,开展了软岩隧道预应力锚固系统中钢带的结构效应研究。研究结果表明：基于单跨简支梁理论,得到随钢带惯性矩增大,围岩(跨中)挠度和最大主应力均呈现“先急后缓再平”的减小趋势,以此建议软岩隧道优先采用 W 形钢带、且惯性矩＞2.92E?01cm⁴ ;通过建立“预应力锚杆+钢带”与围岩作用模型,发现较单一预应力锚杆支护,钢带协同预应力锚杆支护具有更优的围岩变形控制效果和更佳的围岩应力改善功效,同时,锚杆的受力减小,相互间也更趋均匀。     

隧道洞口滑坡工程地质问题与变形机理研究

以拉林高等级公路控制性工程为松多隧道为研究对象,在详细分析隧道进出口隧道-滑坡体系工程地质问题的基础上,利用数值仿真方法,对隧道进出口滑坡在隧道施工和暴雨情况下的稳定性进行重点研究。其结果表明:隧道施工、暴雨和地震活动对松多隧道进出口段滑坡稳定性有较大影响,将导致滑坡由目前稳定状态逐渐发展成欠稳定状态。由于隧道右洞和左洞分别位于碎石层和基岩中,导致隧道左洞和右洞稳定性存在较大差异,其中右洞卸荷能力强,变形破坏程度高;左洞应力集中现象明显,围岩自稳能力强。     

基于滑移线网络法的黄土隧道坍塌拱分析及其承载评价∗

针对隧道稳定分析计算方法复杂、计算量大等问题,基于滑移线场提出一种简洁方便的图解法具有重要的理论意义和工程意义。首先发展完善了无支护黄土隧道全断面围岩滑移线网络图分析方法,然后,通过MATLAB实现了滑移线网络法的可视化分析程序,结合试验性黄土隧道塌落监测成果验证了无支护黄土隧道全断面围岩滑移线网络图分析方法的分析程序,最后,评价分析了黄土抗剪强度内摩擦角和黏聚力对黄土隧洞围岩坍塌范围及土拱极限承载力的影响。结果表明:黄土土拱极限承载力随黏聚力的增大而增大且敏感程度升高,黄土土拱极限承载力随摩擦角的增大而减小且敏感程度降低,坍塌范围随摩擦角的增大而减小。     

跨断层隧道施工应力路径识别与扰动分析∗

跨断层隧道围岩性质会发生突变,给隧道施工扰动分析和安全预测带来了挑战。准确识别跨断层隧道在不同围岩条件下施工诱发的应力路径并开展基于应力路径的扰动分析,具有重要的科学价值和工程实践意义。因此,构建了基于围岩应力路径的隧道开挖扰动分析方法,通过三维数值分析识别了跨断层隧道施工诱发的典型应力路径并进行了扰动分析,总结了跨断层隧道施工扰动时空规律。结合围岩的强度准则和应力路径,用扰动系数描述扰动后围岩应力状态接近破坏的程度。随着扰动系数的增大,围岩应力状态逐渐接近破坏准则,当扰动系数等于 1 时,围岩发生破坏。跨断层隧道在上下盘围岩区的扰动系数始终小于 1,处于弹性状态;而断层破碎区因围岩性质差,其开挖扰动系数达到 1,进入塑性和破坏状态。离洞壁越远,施工扰动越小,扰动系数亦越小。支护后,断层破碎区和上下盘硬岩区的扰动系数均出现减小趋势,围岩趋于稳定,表明了支护的有效性。