孔隙水作用下浅埋圆形隧道支护反力上限计算

浅埋隧道的支护反力的确定是控制隧道围岩稳定性的关键,针对浅埋圆形隧道,基于极限分析上限定理和一定的假设,考虑了孔隙水压力作用,计算了内能耗散和外力功率,得到了孔隙水压力作用下浅埋圆形隧道的支护反力的上限解,将浅埋圆形隧道的支护反力求解转化成一个数学优化问题,并利用MATLAB编制相应计算程序。计算结果表明：埋深H、内摩擦角φ、洞径h、孔隙水压力系数λ都对浅埋圆形隧道的支护力有很大的影响。     

土质地层圆形隧道均布支护反力上限有限元分析

应用适宜于岩土稳定性分析的六节点三角形单元极限分析上限有限元程序,详细分析了土质地层圆形隧道均布极限支护反力和失稳破坏问题,获得了不同埋深C、土体重度γ、内摩擦角φ、黏聚力c等综合因素影响下极限支护反力系数上限解图表及以塑性乘子表达的地层失稳破坏形态。研究结果表明:支护反力系数Nγ、Nc上限解与太沙基土压力理论解参数影响规律基本一致,且内摩擦角φ和隧道埋深C与直径D之比(C/D)对于隧道极限支护反力系数Nγ、Nc及地层破坏模式影响较明显。当φ较小时,隧道地层失稳破坏模式与太沙基土压力理论假定的破坏形态吻合较好;当φ较大时,上限有限元法获得破坏模式局限于隧道周边一定范围且呈现出明显"拱效应"现象。     

地震荷载作用下浅埋隧道稳定性极限分析上限解

为揭示地震荷载作用下浅埋隧道的稳定性,基于极限分析上限法,结合拟静力法,构建了浅埋隧道刚性块体破坏模式,并推导了隧道顶部支护反力q的理论表达式。基于理论公式,编制了Matlab计算程序,计算分析了不同地震水平方向峰值加速度a_h时浅埋隧道的稳定性。研究结果表明:隧道顶(底)板与侧墙支护反力随着地震水平方向峰值加速度增大而增大,且地震水平方向峰值加速度越大,变化趋势愈显著;隧道顶(底)板支护反力随着侧压力系数K增大而减小,而隧道侧墙支护反力随着侧压力系数K增大而增大。研究结果可为指导浅埋隧道极限抗震能力设计提供新的思路。     

浅埋软弱围岩隧道掌子面失稳破坏模式研究

将浅埋隧道掌子面稳定性问题简化为二维平面问题,构造了更符合实际工况的隧道掌子面破坏模式。在此基础上,采用极限分析上限法得到浅埋隧道掌子面支护反力的目标函数,并建立了优化变量约束条件。利用Matlab编制计算程序进行优化求解,通过算例得到了不同边界条件下维持浅埋隧道掌子面稳定所需支护反力系数,解释了浅埋隧道掌子面失稳机理,并分析了影响掌子面失稳的主要因素。     

非关联流动准则对浅埋隧道稳定性影响的上限分析

基于非关联流动准则和极限分析上限理论,通过构建浅埋隧道的简单破坏模式,推导了非关联流动准则下浅埋隧道围岩压力的计算公式.基于内外能耗守恒原理,结合强度折减技术对一定围岩压力下浅埋隧道稳定性进行了分析,并应用非线性优化方法,得出了浅埋隧道围岩压力和一定围岩压力下浅埋隧道稳定性上限解析的优化解答.研究结果表明:岩土材料的剪胀特性和围岩侧压力系数均对浅埋隧道和稳定性有较大影响,且岩土侧压力相关系数对浅埋隧道稳定性的影响程度更为显著.     

不同埋深比下浅埋隧道稳定性的上限分析

在线性破坏准则下,采用极限分析上限法对浅埋隧道的围岩压力和稳定系数进行理论推导,并且采用序列二次迭代算法进行优化求解.研究表明:对于浅埋隧道,埋深较大的地段其支护反力会较大,在施工过程中应注意和加强支护,但由于围岩的自稳能力也较强,故隧道的稳定性会较好.     

小净距隧道支护反力的极限分析

介绍了极限分析上限法的基本原理和求解步骤,通过极限分上限法推导出求解小净距隧道支护反力的基本公式,采用M atlab数值软件对小净距隧道的支护反力进行了计算分析,并与前人计算结果进行比较。比较分析表明本文结果是完全正确可行的。研究解破裂角与净距之间的关系,结果表明双洞隧道支护反力的净距范围为在0.96D-2.73D之间。     

小净距隧道支护反力的极限分析

介绍了极限分析上限法的基本原理和求解步骤,通过极限分上限法推导出求解小净距隧道支护反力的基本公式,采用Matlab数值软件对小净距隧道的支护反力进行了计算分析,并与前人计算结果进行比较.比较分析表明本文结果是完全正确可行的.研究解破裂角与净距之间的关系,结果表明双洞隧道支护反力的净距范围为在0.96D～2.73D之间.     

考虑纵坡的隧道掌子面稳定性上限有限元分析

针对存在纵坡条件下的隧道掌子面稳定性和失稳破坏问题,采用高阶塑性变形单元上限有限元法开展多参数影响正交计算分析,获得临界加载系数N_(cr)上限解图表与拟合公式及以耗散能密度表征的破坏模式规律。研究表明:①纵向坡度对掌子面稳定性有不可忽视的影响,上坡(坡度角θ=10°)方向对应N_(cr)值小于平坡条件下4.5%～23.1%,内摩擦角φ越大相对降低量越大;②N_(cr)随φ增加而逐渐增大,φ较大时需考虑剪胀效应对稳定性的影响;③失稳临界状态发生时隧道掌子面由两条主要剪切带、三角形刚性运动楔形区和前方塑性区组成,上坡条件下(θ=10°)剪切带和塑性区旋转,剪切带与塑性区路径、范围减小,从而掌子面稳定性变差。     

考虑孔隙水压力的深埋隧道掌子面支护力上限分析

基于极限分析上限定理,建立了平动与转动相结合的深埋隧道掌子面破坏机制,通过对外力功率、孔隙水压力及内能耗散功率的计算,获得了该破坏模式下掌子面支护力上限解,并将掌子面支护力最优上限解转化为非线性规划的数学问题,借助MATLAB分析工具,分析了h/d值及不同深埋隧道内摩擦角φ对支护力上限解和掌子面稳定性的影响。     

基于上限分析与随机响应面法的盾构隧道掌子面可靠度研究

为更全面准确评估孔隙水压力作用下盾构隧道掌子面的稳定性，提出一种基于极限分析原理的双对数螺旋线破坏机构为确定性模型，结合随机响应面原理的可靠度分析方法。该方法以孔隙水压力系数表示地下水引起的孔隙压力变化，通过上限分析得到隧道掌子面的安全系数； 运用拉丁超立方技术对安全系数进行抽样，建立基于Hermite多项式展开的近似极限状态方程，在验证响应面有效性的基础上，进一步采用蒙特卡洛模拟法获取隧道掌子面失效概率特征。利用该方法分析了土体参数变异性、地下水位以及支护力对掌子面失效概率的影响，并将其应用于湘江隧道掌子面的可靠性研究中。结果表明： 该方法可以有效地评估隧道掌子面的可靠性，并可为隧道掌子面支护力的选取提供理论参考。     

基于强度折减法的掌子面稳定性上限分析

为了研究在强度折减法下的掌子面稳定性问题,基于极限分析上限定理,把切线法引入刚性块体的非线性破坏机制,同时结合强度折减理论,构建了掌子面安全系数上限解的目标函数。运用Matlab中的fmincon函数对目标函数进行优化,获得掌子面稳定安全系数的最小上限解,并研究了各参数对掌子面安全系数的影响。结果表明:隧道埋深越大其安全系数呈线性减小;随着土体容重的增加安全系数呈减小趋势。此外,掌子面的安全系数对非线性系数m的敏感性也不同,随着土体容重的增加,非线性系数m对掌子面稳定安全系数的影响减小。     

基于变分法原理的浅埋隧道围岩压力上限研究

浅埋段隧道上覆岩土厚度随埋深发生变化,且受地形条件影响,有必要考虑埋深对隧道支护结构设计的影响。为得到变化埋深条件下洞口浅埋段的围岩压力分布和影响长度,基于Hoek-Brown 破坏准则,采用极限分析上限理论,得到浅埋段隧道上方塌落体的构成曲线,并基于变分法原理获得浅埋段隧道极限支护力(反力为围岩压力)沿隧道轴向的变化规律曲线。通过分析,得到以下结论: 1)围岩压力随上覆土厚度增加而呈曲线增加; 2)依据围岩压力随距离(埋深)的变化关系可以得到浅埋段的有效影响范围,超过影响范围的围岩压力几乎不随埋深变化,可以视为深埋段; 3)围岩压力和浅埋段临界范围不仅与岩土材料参数有关,也受到隧道断面宽度和地表坡度的影响。     

钢架岩墙组合支撑工法动态施工力学特性及其应用

京沪高速公路济南连接线浆水泉隧道全长3 101 m，最大开挖断面尺寸为19.5 m×13.1 m，是目前中国最长的双向八车道高速公路隧道。浆水泉隧道穿越地层主要以Ⅲ，Ⅳ级硬质灰岩为主，且施工工期紧，传统的双侧壁导坑法、CRD法等因施工工序繁琐，临时支撑多，施工效率低，无法满足工程工期需求。基于以上背景，提出钢架岩墙组合支撑分部施工工法，主要特点是中间岩墙和上台阶临时钢架组成临时支护体系，在减少临时支撑的同时，中部岩墙还能通行车辆，5个工作面可同时施工，从而实现快速施工；在此基础上，进一步运用数值计算与室内模型试验相结合的方法，对该工法的动态施工力学特性进行研究。结果表明：施工过程中，隧道上部围岩开挖的时间段是支护结构受力最不利时期，支护结构内力在此期间增长迅速，波动较大；中隔壁是支护结构中受力最不利处，其余部位结构受力对隧道施工反馈很小；影响拱顶沉降和仰拱隆起的主要因素是隧道上部围岩的开挖，影响拱脚处围岩水平收敛的主要因素是隧道下部围岩的开挖；支护结构承载和围岩变形均能够满足公路隧道施工安全需要；通过在浆水泉隧道中的实际运用表明该工法能有效提高施工效率，缩短施工工期，是一种可行的超大扁平断面隧道快速施工工法。     

上伏溶洞下深埋隧道塌落破坏的上限分析

为了预测上伏溶洞下深埋岩溶隧道塌落范围及上伏溶洞与隧道的临界高度,构建上伏溶洞下深埋岩溶隧道的横、纵断面上的塌落机制,结合非线性Hoek-Brown强度准则和极限分析上限法,并考虑孔隙水压力的作用下对上伏溶洞下深埋隧道的塌落范围进行研究,将孔隙水压力当作外力进行做功且根据虚功率方程和变分法原理推导出上伏溶洞下深埋隧道的塌落范围理论公式以及上伏溶洞与隧道的临界高度计算公式,利用数值计算软件MATLAB对公式进行求解和绘制隧道的塌落形状。将所提方法和既有研究、有限元数值模拟进行对比,所提方法和既有研究的计算结果误差为-4.32%~7.63%,和有限元数值模拟的计算结果误差为4.31%~6.73%,误差均在一定的精度范围内,充分验证了所提方法的合理性。分析不同参数对上伏溶洞下深埋隧道塌落范围的影响规律。研究结果表明：不同参数对上伏溶洞的深埋岩溶隧道塌落范围影响显著,孔隙水压力系数增大将导致深埋隧道的塌落面增大,上伏溶洞与隧道的高度H越大深埋隧道的塌落越不容易塌穿至溶洞,为深埋隧道提供适当的支护力可有效地抑制塌落风险。因此,上伏溶洞对深埋隧道的稳定性影响显著,该方法可为上伏溶洞下深埋隧道的塌落范围预测及上伏溶洞与隧道的临界高度的确定提供理论依据。     

地铁隧道新型初期支护结构支护参数敏感性正交数值模拟试验

为研究喷混等级、波纹钢板厚度、砂浆锚杆长度和间距4 种主要因素对隧道围岩稳定性的影响程度,以广州市轨道交通22 号线横沥站至番禺广场站暗挖区间隧道工程为研究背景,把正交试验法与地下工程有限元法结合应用于隧道支护参数的优化,并设计了9 种试验工况,通过极差分析优化锚喷支护参数和波纹钢板厚度,利用结构内力验算安全系数确保其满足设计要求。研究结果表明: 针对广州地区典型的上软下硬地层,分析了不同支护参数组合下的围岩及支护结构受力变形规律,得出了优化后的支护参数;通过极差分析得到混凝土等级为重要影响因素,在很大程度上影响了围岩的稳定性,而波纹钢板、锚杆长度和间距为次要影响因素。     

基于围岩压力及结构力学特征测试的隧道初期支护时机探讨

台阶法施工的隧道工程,上台阶的开挖支护是关键工序,其施工效率影响整个隧道施工的进度。因此,以黔张常铁路吴家边隧道为依托,基于现场测试结果,对Ⅳ级围岩隧道上台阶的开挖进尺和初期支护时机进行了探讨,重点研究了不同开挖进尺和初期支护时机工况下围岩压力的变化特征、初期支护的内力演变特征及其安全性。通过研究得到:Ⅳ级围岩地段上台阶开挖进尺最长可到6 m,再进行相应的支护体系施作,可提高机械设备的工作效率,加快施工进度;支护结构在刚度相同的情况下,结构内力按时间分配;二次衬砌基本不承担围岩压力,只是作为安全储备。     

浅埋砂卵石土层隧道掌子面主动稳定性上限分析

依托成都地铁17号线明光站—九江北站盾构法施工区间，通过极限分析上限法及PLAXIS有限元分析方法探究影响浅埋盾构隧道掌子面的影响因素，分析内摩擦角、隧道埋深、隧道断面直径及土体容重对掌子面主动稳定性的影响。研究表明:掌子面支护力随隧道埋深C、隧道断面直径D及土体容重γ的增大而增大，而随内摩擦角φ的增大而非线性减小，且内摩擦角对支护力的影响最为显著。     

基于现场实测的隧道初期支护受力模式分析

为研究隧道初期支护的受力模式,以蒙华铁路在建隧道为工程依托,开展隧道洞周位移和初期支护受力状态的现场测试。结果表明:1)初期支护普遍受压,结构处于小偏心受压状态;2)隧道洞周位移收敛值较小,且隧道整体向净空侧变形,与初期支护普遍受压的受力模式一致;3)洞周位移、锚杆轴力和初期支护的受力状态均不符合塌落拱式的受力模式,而符合围岩与支护相互作用而产生的形变压力特征;4)格栅钢架对结构的抗压-剪承载力贡献非常小,初期支护斜截面的抗剪强度主要由混凝土控制,格栅钢架的作用仅是在混凝土开裂后提供峰后韧性。     

基于数量化理论Ⅲ和极限学习机在小净距隧道变形影响因素分析中的应用研究

为实现小净距隧道变形影响因素的定量评价,保证隧道变形规律的有效分析,采用数量化理论Ⅲ对小净距隧道的变形影响因素及其耦合性等进行定量分析,并利用极限学习机构建隧道变形预测模型,以验证前者分析结果的准确性。实例分析结果表明： 隧道变形的主导因素有围岩重度、变形模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力,重要因素有围岩剪胀角、隧道埋深、喷射混凝土厚度、锚杆长度及隧道间距,而隧道围岩侧压力系数为一般因素; 隧道变形影响因素间存在耦合性,且分析样本4、6、16、18的耦合度高,其余样本的耦合度均为低; 另外,极限学习机的预测结果表明一般影响因素会减弱变形影响因素与变形值间的关联性,对变形规律分析不利,这与变形影响因素分析成果一致,且极限学习机对各监测项目的变形预测效果均较好,验证了该方法在隧道变形预测中的适用性和可靠性。