基于动-静应力耦合的深埋隧道岩爆灾害控制

岩爆灾害严重威胁着施工人员及设备的安全,影响施工进度,已经成为硬岩隧道勘测设计及施工组织中必须考虑的重要问题之一.到目前为止,岩爆控制领域已取得了若干重要进展,但这些进展主要是建立在岩石静力学理论基础之上的,据此提出的大部分措施的控制效果还不甚理想,与从根本上控制岩爆还有较大距离.完整硬脆性岩体、较高地应力和一次或多次动力干扰应该是岩爆发生的3个必要条件,岩爆控制应综合考虑动-静应力的耦合效应.基于动-静应力耦合的岩爆控制已经引起部分学者的关注并已取得一定进展,但还缺乏深入研究.开展基于动-静应力耦合的深埋长大隧洞岩爆灾害控制研究具有重要的理论意义和实用价值.     

基于范例推理的浏阳河隧道风化槽段坍方风险评估

坍方是隧道常见的突发性风险事件.在对已有坍方隧道实例的原因进行了统计分析,并对主要原因进行了力学解释后,进一步应用范例推理方法评估了浏阳河隧道风化槽地段的坍方风险.结果表明:隧道坍方的主要诱因是围岩破碎和降雨,这与断层破碎带处的围岩力学性能差、降水弱化围岩力学性和降低围岩有效应力等有关.浏阳河隧道风化槽地段的范例推理的坍方和梁家山隧道相近,风险为很有可能发生坍方,建议该地段施工中应注重监测信息的反馈并做好超前地质预报.     

基于阻力系数法的铁路隧道活塞风速计算理论对比∗

活塞风对铁路隧道通风及隧道环境控制(热害和冻害)影响重大,可靠地计算活塞风速大小是解决有关活塞风安全问题的关键。首先修正了《规范》中活塞风作用系数的计算方法,其次对比分析了不同活塞风作用系数计算方法,最后基于数值模拟及现场测试结果,对比测试值、模拟值、不同理论计算值之间的差异。结果表明：定值法与 《规范》法的计算结果相近,且这 2 种计算方法得到的活塞风速要远高于其他的计算方法。隧道断面对定值法和《规范》法的计算结果影响不大,但对《规范》修正法影响显著。《规范》修正法及依杰里奇克法得到的计算结果均高于数值模拟及测试结果,依杰里奇克法误差较小(最大不超过 33%),而《规范》修正法的最大误差高达 65%。     

地铁动荷载作用下隧道-地裂缝-地层的三维动力响应

为了探明西安地裂缝场地地铁动荷载作用下的隧道-地层动力响应特征,提出了基于ABAQUS的地铁振动响应三维模拟方法,实现了地铁多轮对荷载的移动。通过有限元计算,得到了整体式隧道的振动响应特征和振动波在地裂缝场地的传播规律,并将有无地裂缝时的振动响应进行了对比,分析了地裂缝对振动响应的影响。计算表明:单节车辆诱发振动沿纵向的影响范围不超过75 m;地铁运行诱发的振动以竖向为主,振动沿横向传播时水平振动衰减较慢;在本次模拟工况下,地裂缝的存在对地裂缝邻近约12 m范围内土体的振动影响较大,对衬砌结构的影响不显著。     

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。     

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。     

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。     

基于GRA-SSA-Elman的隧道施工瓦斯安全性预测评价

为准确预测隧道施工瓦斯灾害,有效评估瓦斯安全,建立基于灰色关联分析(grey relational analysis, GRA)与麻雀搜索算法(sparrow search algorithm, SSA)优化Elmen神经网络的隧道施工瓦斯安全性预测评价模型。首先从水文地质条件、隧道设计、煤层结构状况及施工管理四个方面考虑,遴选12个主要影响因素,采用GRA法量化分析选取的影响因素与评价对象间的关联性;然后引入SSA优化Elman模型中的初始权值和阈值建立模型,采用留一交叉验证法验证模型性能;最后为进一步验证模型性能,对选取的实例瓦斯隧道待测样本进行瓦斯灾害预测评价,同时与PSO-Elman、Elman、Fisher判别分析(fisher discriminant analysis, FDA)模型预测结果与现场实际结果对比分析。结果表明：SSA-Elman预测结果与实际工程结果一致性更高,优化后的模型精确度和稳定性更好,可操作性强,对隧道施工瓦斯安全性评估具有良好的适用性。     

基于层状土推覆方法的盾构隧道抗震性能分析

当前对于地铁盾构隧道进行抗震分析时多基于弹性假设的简化设计方法,难以体现土体和结构的非线性特征;而动力时程分析具有耗时长,工作量大,考虑因素多等缺点使其在工程设计中的广泛应用受到限制。地下结构静力推覆方法具有概念清晰,考虑土体与结构相互作用,相比动力方法耗时大大减少等优点。而自适应层状土推覆分析可以改善地下结构静力推覆法的地震荷载加载模式,使之在含软弱夹层的场地中同样具有较高的精度。通过建立二维的土体-结构相互作用模型,采用自适应层状土推覆分析法对实际的单线地铁盾构隧道横断面进行拟静力弹塑性分析。绘制了其抗震性能曲线并发现了相对薄弱处的位置,并与动力时程的分析结果进行了比较,证明该方法有良好的精度。同时采用该方法对地铁盾构隧道抗震响应做了参数分析,给出了管片混凝土标号和土体模量的改变对隧道薄弱点受力的影响。     

考虑水-饱和土场地-结构耦合时的沉管隧道地震反应分析

用理想流体介质模拟水层、流体饱和多孔介质模拟饱和土地层,在理想流体介质与流体饱和多孔介质相连接边界的连续条件基础上,结合已有的对理想流体介质、流体饱和多孔介质进行动力反应分析的显式有限元方法,开考虑地层与结构的动力相互作用,建立了进行水与场地、结构耦合动力分析的方法。利用该方法对沉管隧道的地震响应进行了研究,重点分析了水深、地质条件等因素对沉管隧道地震反应的影响,并从中得出了一些可供相关人员进行沉管隧道抗震分析时参考的结论。     

圩区排涝模数计算方法研究

合理确定圩区排涝模数对于降低涝灾损失有重要意义。圩区内土地利用性质的不同,会导致产汇流机制和排涝标准的不同,但排涝模数的计算方法基本一致。充分考虑圩内河道的调蓄作用,根据圩区下垫面条件进行产汇流计算,入河流量扣除滞蓄量得到排涝模数。以江苏省常熟市为例,对城镇圩区、农业圩区排涝模数进行计算,并分析了两种圩区不同的排涝要求对排涝模数计算方法的影响。     

进尺对浅埋隧道掌子面稳定性及变形受力影响

基于强度折减有限元法分析不同进尺对隧道掌子面稳定性和破坏形态的影响,研究不同进尺下掌子面变形形态、拱顶沉降特性、地表沉降槽形状,并揭示不同进尺下掌子面前方、进尺开挖段、支护段的应力传递路径、拱效应特征及应力演化过程。结果表明:进尺对稳定性的影响呈现非线性特征,整体上随着进尺的增大,稳定安全系数降低,塑性分布范围增大,位移影响范围增大,且从掌子面附近逐渐扩展到开挖段,位移矢量角呈现非线性增大,即竖向位移所占比重增加。掌子面前方及进尺开挖段均存在拱效应,竖向拱效应大于横向拱效应,水平拱效应最弱,应加强掌子面底部围岩的稳定和已支护段的强度;根据竖向应力距掌子面距离的不同,可以将其分为三个区段:掌子面附近为应力降低区,即卸荷区;掌子面前方一段距离为应力升高区,即应力承载区;掌子面较远处,为原岩应力区。     

富水区隧道渗漏病害虹吸排水处置方法模型试验研究

针对隧道渗漏水病害问题,提出了一种新型隧道虹吸排水处置方法。通过室内物理模型试验,分析了虹吸排水作用对隧道围岩地下水的影响。结果表明:虹吸排水系统对地下水位的分布影响较大,虹吸管处地下水位变化尤为明显。降雨强度是影响虹吸排水流量的重要因素,降雨强度增大,虹吸排水流量先增大后维持最大流量不变,降雨所需疏干时间增长。围岩渗透系数与虹吸管径是影响地下水位分布与虹吸排水效果的重要因素,围岩渗透系数与虹吸管径越大,地下水位整体降深越大,虹吸排水流量维持在最大流量的稳定时间越短,地下水疏干时间越短,虹吸排水效果越好。     

梯-潭结构型泥石流排导槽消能特征试验研究

梯-潭结构型排导槽是一种适用于大比降沟床条件下的泥石流排导工程措施,因其良好的防治功效和工程价值而具有较好的应用前景。选取泥石流容重、规模和潭深为主要影响因素,通过水槽试验模拟泥石流在梯-潭结构型排导槽中的运动过程。结果表明,潭内表层铺填的砾石在泥石流浆体强烈的紊动和大颗粒冲击碰撞下发生明显的物质交换现象,且排导过渡性泥石流时物质交换现象最为强烈,稀性泥石流次之,粘性泥石流则相对较弱;梯-潭结构型排导槽的消能主要体现在泥石流通过梯-潭结构时泥深变化和加剧紊流两个方面;梯-潭结构的消能效率与潭深呈正相关关系,且消能率基本大于20%,最大消能率可达73.93%。当潭深过大时,梯-潭结构对泥石流表现出明显的拦截作用,虽消能效果明显,但与排导宗旨相悖。而泥石流规模对梯-潭结构消能的影响相对较小,整体呈现规模越小消能率越高的趋势。     

城市能源隧道开发潜力及效益分析北大核心CSCD

城市地区土地资源稀缺,使得20世纪以来城市地下空间的开发利用得以蓬勃发展。地下基础设施除了实现结构功能外,还可以作为浅层地热能采集系统与地层进行热量交换。在城市地区,交通隧道比建筑基础具有更广阔的作为能源地下结构的利用空间。以上海地铁为例,根据上海市的水文和地质环境,研究以城市尺度进行能源隧道建设的地热能开发潜力及其经济与社会效益。结果表明,与上海市2030年规划地铁线路同等规模的能源隧道的年度采集能量总量可达35亿kWh,经济收益超过15亿元,每年可减少CO_(2)排放量200万t以上,相当于上海市20%的住宅取暖或制冷所需的总能量,投入成本在10年左右可回收,说明能源隧道拥有巨大的开发潜力和广泛的应用前景。     

浅埋软岩隧道结构简化模型及分析方法∗

现有钻孔隧道力学分析模型主要集中在中、深度隧道(覆盖层直径比 C/D ≥ 2),但这类隧道模型因忽略了浮力且没有考虑到隧道衬砌的实际荷载,并不适用于浅埋钻孔隧道的力学分析。此文结合浅埋隧道的有限元分析,提出了一种浅层隧道计算模型,并研究了隧道截面最优厚度直径比 d/D 与覆盖层直径比 C/D 之间的关系。 该模型中的隧道衬砌荷载包括浅层隧道顶部和底部的荷载差,利用提出的浅层隧道模型计算隧道截面上特定点处的土压力,以及结合有限元法进行结构分析得出一系列关键结论。结果表明,在有浮力的浅埋隧道分析中,隧道衬砌归一化内力和变形较无浮力的浅埋隧道显著大,当改变隧道覆盖深度时,隧道衬砌的最大变形值达到最小。结合结构分析和隆起分析的结果给出了掘进过程中隧道某断面 C/D 值的最优断面直径比值和最优覆盖层直径 C/D 比值。     

基于最小二乘法的高抽巷CO浓度变化规律分析

我国许多煤矿的煤层同时具有高瓦斯和严重自燃倾向,在抽放瓦斯的同时,容易造成采空区遗煤自燃。因此,监测采空区指标气体的浓度变化对预防采空区自燃非常重要。本文采用最小二乘法对山西阳煤五矿8403工作面高抽巷CO浓度进行分析,拟合得出了高抽巷CO浓度变化曲线,并对拟合方法、拟合效果进行了分析。结果表明,用最小二乘法进行拟合是可行、有效的。结合现场实际条件,分析了高抽巷CO浓度偏高的原因和之所以选取分析高抽巷CO浓度来预测采空区自燃的原因。结果显示,分析高抽巷CO浓度变化可以较早地发现采空区自燃。最后,分析了CO浓度与CO2、O2浓度的相关性,验证了用CO浓度预测采空区自燃的准确性。     

浅埋富水软岩隧道大变形机理与控制研究∗

针对洞口段富水浅埋软弱围岩隧道易发生挤压性大变形的特点,依托某隧道,通过监控量测、室内试验、数值模拟等手段分析隧道的变形特征、影响因素及其致灾机制与力学破坏模式。结果表明,隧洞开挖后变形具有流变特性,且持续时间长、变形量大;此外,上、中台阶开挖造成的拱顶沉降、围岩收敛分别占总变形的 61.16%、63.34%, 是大变形产生的主要阶段;洞内大变形是在多种影响因素的耦合作用下产生的,地下水是造成该软岩隧道大变形的主要控制因素,地下水的软化、渗流是大变形的主要变形机理,破坏力学模式主要有软岩塑流和累进性松脱扩展两种,软岩塑流造成侧墙鼓出、顶压以及钢拱架扭曲等现象,累进性松脱扩展造成垮塌、地表裂缝等现象。数值模拟验证了大变形力学机理的正确性并反演了大变形发展趋势。最终针对该隧道大变形产生的主要原因,提出并实践形成了“内外结合”的主动控制技术：洞外掌子面动态跟进超前降水,洞内“中管棚+小导管”超前支护、上台阶 “核心土+扩大拱脚”、中台阶“临时仰拱+大锁脚”、下台阶“短进短衬,快速支护”,成功穿越 300 m 浅埋富水极软岩段,研究成果可为类似工程提供借鉴。     

公路隧道火灾起因及预防研究

在总结分析近30年典型大中型公路隧道火灾案例基础上,给出了大中型隧道火灾主要起因统计,根据隧道火灾起因和故障树(FTA)分析原理,建立了隧道火灾起因故障树,通过计算故障树各基本事件发生的概率,计算出各基本事件关键重要度并进行排序,找出了导致隧道火灾的常见高频原因,并提出了防范隧道火灾的措施.     

输水隧道的减震措施研究

隔震技术是近几十年发展起来的新技术,对地面结构减震效果显著。本文运用Newmark隐式时间积分有限元法并采用粘-弹性人工边界,分析了在输水隧道施工中设置减震层和注浆加固一定范围内围岩这2种方法的减震效果、适用条件及其减震机理。计算结果表明:减震层或加固层的设置均使隧道衬砌应力减小,起到保护隧道衬砌的作用;在较大的范围内注浆加固围岩的办法,对软土中的输水隧道的减震更加有效,它能充分发挥围岩的承载能力;而在围岩与衬砌间设置减震层的办法,对稳定性极好的坚硬围岩中的输水隧道的减震效果更加有效。计算结果可为地震区的输水隧道抗震设计提供依据。