断层破碎带内隧道施工围岩稳定性分析

西藏自治区拉萨-林芝高等级公路松多隧道穿越松多F1主断裂和F2断层破碎带,是拉林公路的控制性工程之一。受断裂破碎带影响,隧道围岩较为破碎,隧道涌水量较大,施工及运营过程中容易发生隧道塌方、突水、突泥等地质灾害。基于该地区详细地质勘察资料,利用数值仿真模拟了松多隧道在开挖以及连续降雨情况下的隧道围岩变形破碎过程。研究结果表明:隧道开挖过程中硐腰处易发生垮塌事故,进而影响到整个隧道稳定性;连续降雨情况下导致破碎带岩土力学性质软化,从而进一步降低隧道安全。建议松多隧道在设计阶段加强地质勘察,施工过程进行地质超前预报与现场监测,确保施工安全。     

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。     

考虑刚度劣化的剪切带-围岩系统稳定性分析

峰后的刚度劣化现象(渐进损伤)在多种煤、岩石、混凝土、土和砂子的循环加载实验中已被观察到。本文考虑了剪切带及带外弹性体的不同的刚度劣化现象,推导了剪切带(断层)-弹性围岩系统在直剪条件下的应力—变形曲线。剪切带的刚度劣化不改变剪切带的总变形,但使剪切带的弹性变形增加、塑性变形降低。考虑弹性体的刚度劣化现象之后,系统的峰后应力—变形曲线呈现非线性特征,这不同于过去忽略刚度劣化现象的结果。在应变软化过程中,剪切带之外弹性体的刚度劣化,使系统的峰后响应由负斜率(Ⅰ类行为)变为正斜率(Ⅱ类变形行为)。较高的弹性体尺寸、较高的脆性、较小的内部长度、较低的围岩初始弹性模量、较高的抗剪强度、较低的残余剪切应力及较高的残余剪切弹性模量,使系统的峰后响应变得陡峭,甚至发生Ⅱ类行为,使系统的失稳(岩爆、冲击地压、采矿诱发地震或矿震)易于发生。     

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。     

不同变形失稳模式下隧道围岩稳定性判据研究的进展

计算机模拟隧道围岩失稳研究的困难在于失稳模型不清楚、失稳判据不明确。本文综合分析了目前国内外应用的隧道稳定性判别方法,总结了不同变形失稳机制下的计算模型及其量化的破坏判据,分析了各种方法的研究进展和存在局限,为围岩稳定性数值模拟提供快速、合理、可操作的判据。     

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。     

隧道结构与围岩土体三维地震反应分析

基于有限元分析软件ABAQUS平台,编制材料本构模型子程序UMAT,采用粘弹性人工边界条件模拟能量开放系统的边界,利用二次开发后的ABAQUS软件,模拟了隧道与围岩系统的三维地震反应,对比分析了不同入射角度下隧道结构与围岩土体的地震反应规律。分析结果表明,在地震荷载作用下,土体产生了不可恢复的塑性变形,主要表现为地表沉降;在斜入射条件下,随着入射角的增大,地表沉降显著增大,且沉降最终趋于稳定的时间有延长的趋势;均质地层中的大跨度长距离隧道结构,其横向地震反应受入射角的影响较大,表现为随着入射角的增大,结构的竖向沉降以及Mises应力显著增大;其纵向地震反应受入射角的影响不大。     

考虑岩体各向异性强度的隧洞围岩稳定性分析

岩体中普遍存在着大量的节理裂隙等不连续面,这些不连续面对岩体的强度有着重要的影响。以具有较密集成组节理的岩体为研究对象,以Drucker-Prager准则和裂隙应力张开准则为基础,分别考虑岩块和节理面各自的物理力学性质,研究岩体在各向异性强度准则下的理论方法,并建立了岩体各向异性本构模型,用以描述节理岩体在强度方面的各向异性及其破坏特征。将该模型用于隧洞围岩稳定性分析工程中,研究表明,该模型可以较好地解释节理岩体围岩的破坏特征,与工程实践相符。研究成果对我国地下石油、核废料储存以及深埋地下工程的设计与施工具有重要的指导意义。     

高速公路连拱隧道开挖三维稳定性分析

通过对金丽温高速公路湾连拱隧道工程区的地质特征的详细分析和现场调查,系统研究了湾隧道开挖及加固全过程的围岩应力场、变形场的状况及变化特征。结果表明,湾连拱隧道围岩应变率较高,围岩衬砌后的位移值比未衬砌时减小了50%,采用目前的衬砌类型后,衬砌变形将较大幅度地变小,衬砌应变值基本满足要求;虽然围岩拉应力值随着隧道的开挖逐渐变大,除局部位置外,衬砌整体基本满足抗拉的要求。     

某地下洞室开挖围岩稳定性数值模拟分析

结合某电站的工程建设实际，在场区地勘资料分析的基础上，深入分析了工程区的地质力学环境条件，建立了能够反映工程区地貌、岩体结构和地应力环境条件的力学模型。以地应力实测结果为参照依据，采用线性有限元法反演分析了初始地应力场，采用非线性有限元方法模拟了地下厂房等主要洞室开挖施工与支护过程中的围岩应力和稳定性状况，论证了地下洞室开挖方案的可行性，揭示了大型地下洞室不同开挖阶段应力的集中部位和围岩的潜在破坏部位。     

山区公路隧道围岩分级及参数获取方法研究

公路隧道围岩分级是为正确选择支护结构型式和施工方法、进行科学管理及评价经济效益的基础。该文在对影响山岭公路隧道围岩稳定性的各环境地质因素进行分析的基础上,阐述了公路隧道围岩分级的方法和特点。根据公路隧道不同勘察阶段的精度要求及生产实际情况,提出了工可阶段采用定性分类、初设阶段采用定性为主、定量为辅、施工图阶段采用定量为主、定性为辅、施工阶段视情况采用定性或定量手段的公路围岩分级方法。针对定性评价提出了综合利用规范法、宏观地质分析法、工程地质类比法及经验判断法等分析方法。对定量评价时所需的两个基本指标及三个修正系数,分别提出了多种可行的手段进行获取的方法,并强调加强各种定量指标的综合分析,选用复合性指标,正确进行定量计算与分级。     

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。     

基于BOTDR技术的隧道衬砌应变测量温度补偿实例分析

应变数据的温度补偿一直是光纤应变传感技术(如BOTDR)应用于实际工程的主要障碍,虽然目前有了不少理论方法试图解决这个问题,但实际运用起来却效果不佳。本文通过对云南白泥井3号隧道光纤应变监测项目的实例分析,提出了一种新的BOTDR温度补偿方法。应用该方法对白泥井3号隧道进行的温度场分析表明,隧道内空气温度场的温度变化明显要大于隧道结构温度场,而在总体的温度变化趋势上,它们都同当地的气候条件保持一致。     

地质体材料剪切带内部的常剪切应变点及速度分布分析

对于峰后线性应变软化的地质体材料,剪切带内部的总剪切应变等于弹性剪切应变(由经典弹性理论描述)及由微结构效应而引起的局部塑性剪切应变(由非局部理论或梯度塑性理论描述)之和。若剪切应力—塑性剪切应变曲线的斜率的绝对值(称之为软化模量)小于剪切弹性模量的两倍,则在剪切带的任一剖面内存在两个总剪切应变不依赖于剪切应力的点,称之为常剪切应变点。在这两个点上,弹性剪切应变的降低和局部塑性剪切应变的增加处于平衡状态,总剪切速度达到它的最大值或最小值。在两个常剪切应变点之间,局部总速度随剪切应力率的降低而增加。剪切带内部的局部总速度分布是非线性的,这与通常采用的剪切带内部速度的线性分布假定(忽略微结构效应)不同。     

油页岩地下开采巷道围岩的流变特性及工程应用

为研究油页岩巷道围岩的流变特性,采用岩土SJ-1B三轴蠕变仪对油页岩进行了三轴蠕变试验。根据试验结果,建立了油页岩非线性蠕变方程。根据上述非线性蠕变方程,以吉林桦甸油页岩矿一井运输大巷为工程背景,分析了围岩的应力场和位移场,并对不同支护强度和应力状态下的蠕变变形进行了系统的分析。研究结果表明,油页岩蠕变具有非线性,控制油页岩巷道围岩过量变形的根本途径是改变围岩的应力状态,以及适当提高锚杆、锚索的初始预应力。本文为有效控制油页岩开采时巷道围岩的有害变形提供了理论依据。     

季节冻土区吉图珲高铁东兴膨胀岩隧道保温防冻方法及分析

隧道冻害与围岩中温度分布密切相关,因此掌握隧道围岩温度分布规律是防止隧道冻害的关键。以我国季节冻土区隧道建设发展为应用背景,依托于正在建设中的吉图珲高铁东兴膨胀岩隧道,结合东兴隧道特殊的工程地质与水文地质条件,在传统防冻方法基础上提出了一种改良的保温防冻新方法。通过监测施工期整个冻融循环过程中衬砌—围岩温度场,对比分析了传统防冻方法与改良防冻方法作用下围岩温度场的分布和变化规律。应用数值模拟方法,建立了东兴隧道衬砌—围岩温度场有限元模型,通过现场监测结果验证模型的有效性。进一步结合延吉地区东兴隧道当地气温预测运营期膨胀岩隧道围岩温度场分布,研究表明:运营期改良防冻方法比传统防冻方法具有更好的保温防寒作用。该研究可以作为季冻区隧道冻害防治措施的重要参考依据。     

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。     

强震作用下岩体破坏深度及对隧道围岩压力的影响

5·12地震后,震区岩体受到了不同程度的破坏,产生了大量松动岩体,对新建隧道围岩压力产生了较大的影响。为研究地震力对岩体的破坏深度以及震裂松散岩体对隧道围岩压力的影响,基于波动理论和摩尔库伦准则,分析了地震力对岩体破坏的极限深度,推导出解析公式,并通过波速测试结果对震裂松散岩体的松动深度进行了探讨,最后就松散岩体对隧道围岩压力的影响进行了理论分析。研究结果表明:1地震力对岩体破坏有一极限深度,隧道埋深越浅,岩体越易产生破坏;2岩体破坏极限深度与岩体力学参数及地震水平震动速度有关,汶川地震震区岩体的极限破坏深度最大达112m;3汶川地震震后,不同松动程度的岩体分别占破坏岩体深度的20%、30%和50%;4震裂松散岩体对围岩竖向松动压力有较大影响,主要原因为震裂松散体的存在,改变了震后岩体的深浅埋分界深度,在震后松散岩体中修建隧道应按等效埋深来确定深浅埋分界深度。     

地面非对称填载对既有明挖隧道围岩压力的影响分析

运用普氏理论、朗金土压力理论,对地面非对称填载作用下既有明挖隧道围岩的破坏模式和围岩压力计算进行了探讨。分析表明,地面非对称填载作用下既有明挖隧道的围岩压力计算按埋深可分为三种情况:深埋时采用普氏理论计算;浅埋且地面填载侧边墙与滑裂面之间会产生土拱效应时,该边墙所受的围岩压力采用普氏理论来计算,对侧边墙借助朗金土压力理论来计算;浅埋且地面填载侧边墙与滑裂面之间不产生土拱效应时,将左右边墙都当作挡土墙,借助朗金土压力理论来计算。     

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。