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。     

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.     

走滑断层作用下跨断层隧洞错断模型试验研究∗

隧洞抗错断研究中,正、逆断层研究较多,走滑断层研究较少。针对走滑断层引起的隧洞变形破坏、应变分布规律以及上覆围岩的破裂形态等关键问题,以滇中引水输水隧洞为依托工程,制作了隧洞模型开展走滑断层作用下断层隧洞的抗错断模型试验研究,得到隧洞在走滑断层断层错动作用下的结构响应规律。结果表明：①隧道衬砌结构在走滑断层作用下的破坏形式是弯曲张拉破坏以及直接剪切组合破坏,其中剪切破坏是主要破坏形式;② 隧道衬砌结构沿纵向以受拉为主,主要集中在活动盘距离错断面?0.5D~2.0D(D 为隧洞直径)范围内的隧洞衬砌顶部以及两侧拱腰沿纵向位置处,而受压区主要在活动盘距离错动面?0.5D~0.5D 内与活动盘移动方向一致的一侧拱腰;环向应变的影响主要集中在断层错动面附近;③活动盘受断层错动影响范围和剧烈程度均小于固定盘,故断层错动作用下的固定盘是隧洞抗错断控制重点。     

顺层岩质高边坡的静力稳定性安全评价

工程边坡环境直接关系到工程的经济效益,顺层岩质高边坡的稳定性主要受软弱结构面的构造和力学性能的影响。采用基于强度折减法的边坡安全系数作为边坡稳定性的评价指标,使用FLAC3D软件对顺层岩质高边坡稳定性进行了非线性有限元分析,分别探讨了结构面倾角和剪切强度、边坡坡率以及边坡高度对其稳定性的影响规律,着重提出了顺层岩质高边坡的两种破坏模式以及滑移剪切破坏的机理;并采用层次分析法定性比较了边坡稳定性对各影响因素的敏感性。结果表明,结构面剪切强度对边坡稳定性影响的权重最大,结构面倾角次之,边坡坡率及边坡高度的影响相对较小。     

浅层滑坡中的乔木根系阻滑效应及变形特性试验研究

为探索乔木根系在浅层潜在滑坡中的阻滑效应及变形情况,课题组自行研制了大型根土复合体直剪仪,可模拟不同深度的浅层滑动面。结果表明:根系的存在有助于提高土体的抗剪强度,延缓土体破坏的能力;随着剪切面的下移,根系对土体的强化作用逐渐提高;根系在土中的分布情况会影响到根系对土体的强化作用,根系所在平面与作用力方向垂直时根系的阻滑能力最强;平行根与前后根在土中的变形范围基本相同,变形位移主要集中当前剪切面相邻的剪切面之间;平行根中左右根系在各剪切面处的变形情况基本一致,在当前剪切面处根系的变形位移最大,且当前剪切面之上的根系变形位移要大于下部根系位移;前后根中前根在当前剪切面上的变形位移小于后根,在当前剪切面及其下前根的变形位移要大于后根。该研究成果为拓展乔木根系对浅层边坡的治理提供了试验依据,对乔木的固土护坡作用研究具有积极意义。     

随机介质理论下隧道围岩渐进破坏过程数值实验研究

将强度折减法引入到隧道围岩安全评价中,结合"浅埋暗挖快速施工双线小间距隧道、盾构下穿立交结构隧道和结构面含有节理、不规则裂隙的山体公路隧道"等工程实例,借助材料真实破坏分析软件RFPA-2D,建立每个强度折减系数下的有限元模型。模型采用了黏弹性人工边界来消除边界条件对计算精度的影响,并借助随机介质理论实现了围岩细观结构单元的非均值性和随机分布的缺陷,揭示了不同工况下隧道围岩的动态渐进破坏过程、基元相变损伤演变机理和岩体结构面破坏特征,认为隧道围岩的宏观破坏是由岩体非线性材料细观单元的非均值性造成的,计算结果借助不同折减步中裂纹发展趋势和单元破坏的数量判断隧道围岩是否失稳破坏,并计算出具有安全储备意义上的安全系数。同时,结合ABAQUS和RFPA-2D两种不同有限元模型,对比分析了随机介质理论和连续介质理论结合强度折减法在隧道围岩稳定性评价中的差异。     

变质岩区强应变带工程地质特性及隧道围岩稳定性分析

变质岩区强应变带构造挤压变形明显,变质分异现象清晰,工程性质差。通过对鸡公寨隧道湖蓝坡强应变带进行调查、测试及取样试验分析,结果表明:强应变带对岩性有明显的改造作用,片状矿物含量增高,岩石强度下降,软化系数0.36~0.50,岩体完整性系数0.25~0.46,属较破碎~破碎程度,呈薄片~碎片状岩体结构;构造残余应力明显,实测侧压力系数λ为1.3~1.9,以水平应力为主导。隧道围岩稳定性差,计算的围岩变形量远超规范允许值,且构造应力影响下的变形量远大于正常自重应力工况,在隧道设计、施工时需采取针对性的控制变形措施。     

地震动作用下隧道洞口段破坏特征试验研究∗

为研究山岭隧道洞口段在地震动力作用下对边坡变形特征及其二者之间的相互影响,以宝兰客专某黄土隧道为工程背景,开展了大比例尺的黄土隧道洞口段大型振动台模型试验,输入不同类型的地震动参数,分析在地震动力作用下黄土隧道洞口段的动力响应及变形破坏特征。结果表明：(1)随着地震动强度的增大,模型表观和内部经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段;(2)阿里亚斯强度(Arias Intensity)的水平与垂直分量的放大系数云图呈现颜色区域互补状态,能量衰减区集中在洞口拱顶附近的围岩,仰拱底部 1~4.50 倍洞径和拱顶 2.50~4 倍洞径围岩范围则为能量加强区;(3)不同地震波形、相同加载方向,加速度水平、垂直分量的峰值连线线形相似,个别测点的加速度峰值突出到线形之外,峰值出现时刻明显提前或滞后,说明围岩发生较大的塑性变形或破坏;(4)单向加载时,拱顶、仰拱底部围岩沿隧道进深方向的加速度放大效应基本一样,沿垂直方向的放大系数连线的台阶式变化更为明显。双向耦合加载时,拱顶、仰拱底部围岩的放大系数连线的台阶式变化都较为明显。     

松散地层隧道防坍塌控制技术研究

松散砂卵石地层围岩自稳时间极短,开挖后若不支护会立即坍塌,危及施工安全。根据地层特征曲线支护阻力与围岩位移的关系,若围岩自稳时间比支护施工时间短,支护结构要承受较大松散围岩压力,在这种地层中适时的支护时间已没有意义,必须采用合理的隧道防坍塌控制。施工中须根据砂卵石地层工程地质特征、隧道施工方案特点和周围环境的限制要求,合理选择支护措施,有效加固砂体,抑制围岩变形,以解决砂卵石隧道超前支护措施的选取、初期支护参数的优化、变形速率比值判别标准、衬砌结构施工力学行为、砂卵石地层围岩压力分布特征及洞室收敛变形的控制技术难题。研究成果可更好地保障砂卵石地层公路隧道的施工安全。     

浅埋偏压条件下特大断面隧道地震动态响应的试验研究

以福州市二环路金鸡山隧道为工程原型,设计制作了浅埋偏压条件下特大断面隧道的1/30缩尺模型,完成了20种工况下的模拟地震动试验,重点关注隧道模型加速度、衬砌接触压力、衬砌表面应力的地震动态响应。隧道中轴面各测点PHA放大系数随高程呈近似对数型增大,改变了原场地高程效应的表现形式;隧道模型的第一卓越频率与EL波的卓越频率较为接近,其共振效应使得EL波激励引起的高程效应明显大于其他地震波。靠山侧衬砌结构所承担的地震动附加压力显著大于临空侧,且在大振幅激励下,其拱腰所承担的地震动附加压力反而大于拱脚。隧道衬砌结构的扁平率和几何曲率,对其动应力峰值的分布均有显著影响,尤其是在大振幅激励下,靠山侧拱脚处的动应力峰值显著大于其他部位。衬砌结构的裂缝发展形态特征,与接触压力峰值及动应力峰值沿衬砌环向分布的规律是相一致的。上述成果为浅埋偏压条件下特大断面隧道抗震设防提供了参考。     

基于全动力分析法的地震边坡与隧道稳定性分析

目前地震边坡和隧道稳定性分析方法尚有一些不尽如人意的地方,如地震边坡的破裂面假定为剪切破裂面,这与汶川地震边坡破坏现象不符;地震边坡稳定性分析采用时程分析法,假定在某一时刻加速度作用下,将其作为静力问题来计算边坡稳定安全系数,没有充分考虑加载的动力效应;同样,未考虑地震作用下隧洞围岩的拉破坏,对隧洞围岩破坏缺少动力稳定性标准,也不能充分考虑隧洞围岩与衬砌的动力效应。为此,基于有限元强度折减法,提出了一种完全的动力分析方法——强度折减动力分析法,计算中同时考虑剪切强度和抗拉强度参数的折减,并采用计算不收敛和位移突变综合判断边坡和隧道是否动力失稳破坏,以极限状态时的强度折减系数作为地震边坡和隧道的动力稳定系数,由此获得拉、剪组合破裂面与全动力稳定安全系数,充分考虑了动力效应。     

深埋硬岩隧洞岩爆风险与结构面倾角关系探讨∗

针对深埋硬岩隧洞即时性应变-结构面滑移型岩爆预测预警问题。以埋深 2 375 m 的某深部地下实验室 7#、 8#实验室发生的一次极强岩爆作为现场测试对象,基于钻孔摄像技术实现隧洞围岩内结构面展布可视化,通过岩爆诱发洞段与安全通过洞段围岩内结构面展布差异的对比分析、围岩弹性应变能分布特征分析与岩爆统计规律分析,对岩爆孕育中结构面的控制作用进行了深入的探讨。研究结果表明,深埋硬岩隧洞边墙与围岩内发育的结构面平行或是小角度(小于 30°)相交时具有更高的即时性应变-结构面滑移型岩爆风险。7#、8#实验室钻孔摄像结果显示,岩爆诱发洞段围岩内结构面近乎平行于边墙发育,3 处安全通过洞段围岩内结构面与隧洞边墙均为大角度 (大于 30°)相交。围岩内不同的结构面展布形态为岩爆孕育提供了不同的能量累积环境,当围岩内结构面平行于边墙或是小角度相交于边墙时 ,结构面的存在将有利于岩爆孕育 。 所有发生于锦屏二级水电站排水洞 SK8+200~8+800 洞段的岩爆统计数据表明,隧洞边墙与围岩内结构面相交夹角较小(小于 30°)的区域具有更高的即时性应变-结构面滑移型岩爆风险,这与 7#、8#实验室现场测试及数值模拟结果相吻合。     

季冻区山岭公路隧道冻胀力学特征数值模拟研究

季冻区的极端低温气候严重威胁着隧道的运营安全,围岩的冻胀作用是隧道冻害发生的外力根源。以吉林省某高速公路隧道为例,基于伴有相变的瞬态传热理论和abaqus有限元模型模拟了围岩冻结温度场动态分布规律以及围岩冻胀后的衬砌内力及变形特征。计算结果表明围岩冻结从拱部开始发生,发展至边墙,最后延伸至仰拱底部形成冻结圈;冻结深度的分布规律为拱部边墙仰拱;冻结发展速度与气温变化相关,但表现出一定的滞后性。围岩冻胀后,衬砌整体呈现"横鸭蛋"的收缩变形趋势,边墙水平收敛和仰拱不均匀隆起影响最大,边墙与仰拱连接处出现的应力集中也可能会影响结构整体的稳定性。此外,冻胀引起的衬砌转角变形在距离拱顶48°和96°处达到正负峰值,可视为冻胀敏感点作为转角监测的最优布设点。     

极高地应力软岩稳定性指标优先级及多因素耦合分级∗

极高地应力隧道工程设计施工除了考虑地质构造作用极其强烈以外,强度应力比、地下水、膨胀应力、结构面产状等因素对围岩稳定性的影响也必须考虑,同时隧道轴线与最大应力主方向夹角、隧道断面及面积、岩层厚度及倾角等因素也非常重要。以《工程岩体分级标准》为基础,提出一种极高地应力复杂软岩隧道围岩稳定性因素优先级分析思路,并采用熵权法形成多主因素耦合、次因素修正的围岩分级方法。现场实践表明分级结果与现场施工状态吻合较好,进一步对另两座隧道使用本方法进行验证。结果表明,现行规范中围岩分级因素和方法不适用极高地应力情况,且和影响因素优先级加多因素耦合修正 BQ 值的围岩分级方法结果相差 10% 左右,原因是对极高地应力软岩稳定性影响因素考虑不全面。这种围岩稳定性分级方法具有较好的适用性,且耦合时使用熵权法原理使得结果更加偏向于定量计算,减少了人为因素干扰,结果更加客观真实。     

基于修正惯用法的埋深对圆形隧道地震反应影响∗

采用修正惯用法,在考虑土拱效应对圆形隧道结构受力状态影响的基础上,研究了埋深对地下结构地震反应的影响规律。首先,对比分析了不考虑和考虑土拱效应时、地震荷载作用前,隧道结构内力分布及随埋深的变化规律;将作用于隧道结构上的水平地震荷载等效为围岩土体变形导致的土压力的改变值;继而探讨了考虑土拱效应后,地震荷载引起的隧道结构内力的改变,研究了不同地震动强度下,埋深对圆形隧道结构地震反应的影响规律。 研究结果显示,地震作用下,圆形隧道结构的内力随着埋置深度的增加呈现出先增大后减小或趋于稳定的趋势,即圆形隧道结构地震反应存在一个抗震关键埋深。     

考虑变形缝影响的盾构隧道纵向抗震性能分析

盾构隧道通过设置变形缝可适应沿纵向的不均匀沉降和变形,但目前盾构隧道结构抗震设计尚未考虑变形缝的影响,且变形缝对盾构隧道的纵向抗震性能的影响机制尚不清晰。本文将盾构隧道简化为三维的等效梁单元,放置在粘弹性地基上,采用地基弹簧和阻尼单元模拟隧道与土体间的动力相互作用,并通过细观三维精细化模型来模拟变形缝,即采用沿环向分布的轴向拉压弹簧和切向剪切弹簧来真实模拟地震作用下的变形缝张开量和错位量等变形。综合考虑不同地震动输入方向和不同地震波频谱特性,对比分析盾构隧道有/无变形缝时的非一致地震响应特征,并对变形缝间距变化进行了参数敏感性分析,系统揭示了变形缝对盾构隧道纵向抗震性能的影响规律。分析结果表明:在隧道纵向布置变形缝能有效减小盾构隧道在地震作用下的轴力和弯矩,但随着变形缝间距的增大,减震效果显著降低。研究结论可为今后类似工程的抗震分析及变形缝设计提供指导。     

含小净距隧道岩石边坡地震动力响应特性研究

采用有限元分析软件建立一个通过大型振动台模型试验验证的边坡动力数值分析模型,研究了地震作用下含小净距隧道岩石边坡的动力响应规律,探讨了隧道结构对边坡动力响应规律的影响。结果表明:1)边坡加速度峰值放大系数沿坡面向上呈现出先减小后增大的非线性变化特征,存在临空面放大作用,边坡会改变输入地震波的频谱成分,对高频段地震波存在滤波作用,对低频段地震波存在放大作用;2)因小净距隧道的存在,含小净距隧道边坡的坡面加速度分布较无隧道边坡表现出明显的非线性高程特性,其坡体最大水平和竖向位移总体上小于无隧道边坡;3)强震作用下坡顶和结构面附近水平位移最大,两隧道中夹岩处及偏压侧隧道左侧拱脚处易发生拉裂破坏和剪切破坏。试验研究结果对含小净距隧道边坡抗震设计及其地震动力反应特性的研究有一定的指导意义。     

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。     

火灾高温下隧道衬砌结构的变形性能研究

为考察隧道衬砌在火灾高温下的变形性能,利用ABAQUS有限元软件建立了HC基准升温曲线下衬砌环的三维分析模型。分析了隧道衬砌结构在火灾高温下的温度场分布规律,以及钢筋混凝土衬砌结构变形情况。研究了地面超载、土体侧压力系数、火灾持续时间、峰值温度及升温速率对变形的影响。结果表明:地面超载较小时,衬砌拱顶随温度升高而接近围岩,反之则远离围岩;拱腰位移随地面超载的增大而不断增大;土体侧压力系数越大,拱顶越向外移动,而拱腰则越向内移动;火灾持续时间越长、峰值温度越高,拱顶越远离围岩,拱腰越靠近围岩;升温速率对衬砌升温初期的变形影响较大,后期影响不显著。     

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。