基于对数应变考虑渗流影响的软弱围岩圆形隧洞弹塑性解

为求解发生大变形时软弱围岩圆形隧洞的应力和位移，基于三剪应力统一强度理论和拉格朗日坐标下的对数应变，通过考虑施工期、运行期和检修期3种工况下主应力顺序以及渗流等影响，推导理想弹塑性模型软弱围岩的弹塑性解，并分析弹性模量、泊松比、孔隙水压力和强度准则4个参数对塑性区厚度和洞壁处径向位移的影响。研究结果表明： 1）施工期围岩塑性区厚度随弹性模量的增大呈现先增大后逐渐趋于一个稳定值（小应变解），而运行期围岩塑性区厚度随弹性模量的增大呈现逐渐减小后逐渐趋于一个稳定值（小应变解），洞壁处径向位移在施工期和运行期2种工况下均随弹性模量的增大逐渐减小； 2）施工期和运行期围岩塑性区厚度随泊松比增大几乎无影响，而洞壁处径向位移随泊松比增大呈线性增大； 3）施工期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移随孔隙水压力的增大而增大，而运行期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移随孔隙水压力的增大而减小； 4）不同强度准则下的塑性区厚度和洞壁处径向位移变化显著； 5）检修期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移变化规律与施工期类似。对于发生大变形的软弱围岩圆形隧洞，推导的弹塑性解与小应变解明显不同。     

考虑围岩应变强化及扩容的深埋软岩隧洞时变位移解

为描述深埋软岩隧洞围岩时变位移受岩石应变强化与扩容协同影响的复杂力学过程,假设岩体为符合Burgers体与Drucker-Prager屈服准则组合的黏弹塑性模型,在考虑应变强化及扩容效应影响的初始应力场下,推导得到深埋软岩隧洞的黏弹塑性时变位移解析解并进行分析。结果表明:该解析解能较好地描述软岩隧洞蠕变位移受岩体应变强化和扩容的影响。随着幂强化指数或剪胀角的增大,隧洞围岩的时效变形逐渐增大,且发展变快。隧洞围岩在应变强化和扩容效应的共同影响下,幂强化指数与剪胀角越大,其位移越敏感,且幂强化指数对围岩位移的敏感性更高。为验证该解析解的实用价值,与工程实测数据进行对比,结果显示计算值与实测值吻合较好,表明该解析解对深埋软岩隧洞时变位移预测具有一定的借鉴意义。     

一种基于弹塑性理论的隧道围岩稳定性简易评价法

依据弹塑性理论,得出初期支护条件下隧道围岩洞周位移及支护力解答。同时,将隧道开挖断面作等代圆处理,根据规范确定洞周最大允许位移量,从而对围岩的稳定性进行简易评价。通过算例对该方法进行了验证,结果表明,洞周最终位移解析解理论评价法计算简洁、方便且计算结果可信。     

弹塑性解析法确定隧道二衬合理支护时机的应用研究

基于弹塑性理论,推导了隧道工程围岩塑性区内的应力和位移公式以及衬砌结构的应力和位移公式,推导出不同围岩等级下隧道开挖半径及支护范围,并给出了二次衬砌施工时合理的洞周位移值,所得结论对同类工程具有指导作用.     

断面形状对隧洞围岩位移和应力的影响分析

采用FLAC3D软件分析了圆形断面、矩形断面、直墙式断面和曲墙式断面形状隧道开挖在III级围岩中的位移和应力集中分布规律。圆形断面隧洞围岩位移最小,应力集中系数最小,塑性区厚度最小,应力集中系数最大点距洞面的距离最大,即支护结构受到的围岩压力最小;与圆形断面隧洞相比,曲墙式隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区仅次于圆形隧洞,曲墙式断面是合理的隧洞断面形式;矩形隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区最大;直墙式隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区仅比矩形隧道略小,与矩形一样,直墙式断面是不利的隧洞断面形式。     

衬砌压力隧洞的弹塑性应力解

基于全量理论将岩体单轴应变非线性软化本构模型推广，得到复杂应力状态下岩体等效应力和等效应变关系，在此基础上对衬砌压力隧洞进行弹塑性分析，对弹塑性边界位置在衬砌和围岩范围内分别进行了讨论，指出边界位置的不同应采用不同的计算公式，并得到了由隧洞开挖卸荷引起的、围岩开始屈服时的极限压力以及内压力作用下分别使衬砌、围岩开始屈服时的极限压力。     

公路山岭隧道初期支护极限相对位移的确定

为计算公路山岭隧道初期支护的极限相对位移值,采用霍克布朗屈服准则,依据公路隧道设计规范和实际工程经验选取断面形式、支护方式以及材料参数,采用短台阶的开挖方式,对各级围岩不同埋深下3车道公路山岭隧道拱顶、拱腰和拱脚的极限相对位移值采用FLAC3D进行三维数值模拟,并依据突变理论确定。根据对计算结果的统计分析,提出可将洞周变形控制点位明确,细化埋深范围,通过分析上下开台阶开挖对不同点位变形值的影响,且与实际施工相结合,确定出开挖步的变化对洞周位移的影响。     

特大跨隧道在双侧壁岛坑法施工下的数值模拟

依托实际项目，运用FLAC3D进行后处理，模拟双侧壁导坑法用于V级围岩的施工，全面展示了暗挖隧洞右洞的分步开挖对左洞初期支护应力、右洞周围围岩变形的变化规律。结果表明：对于开挖洞在既有洞初期支护上产生的支护轴向应力规律，双侧壁导坑法和全断面开挖理论规律基本一致。开挖洞在双侧壁导坑工法下，地表沉降会出现下导坑较上导坑对地表沉降影响更大的规律。在偏压工况下，开挖对于地面沉降量在大偏压侧较小偏压侧更明显。导坑法对地面沉降会产生peck曲线的叠加效应，但最终沉降曲线满足peck沉降理论。     

基于能量法的连拱隧道钻爆施工对围岩损伤影响分析

以采用无导洞钻爆法施工的云南省武定至易门高速公路三台坡连拱隧道工程为依托，针对爆破施工对无导洞连拱隧道围岩造成损伤的问题，利用能量衰减公式推导隧道围岩振动速度衰减公式；采用FLAC^3D软件计算分析实际工程围岩振动速度以验证理论推导公式的准确性，并计算分析在爆破荷载作用下连拱隧道围岩、中墙的振动速度和振动位移的变化规律。研究结果表明：振动速度的理论计算结果和数值模拟结果之间的相对误差较小，说明基于理论推导得到的隧道围岩振动速度计算公式是可靠的；爆破过程中产生的能量以地震波的形式向外传播，当地震波传至地表仍未完全衰减时，未完全衰减的能量将以反射波的形式继续衰减；爆破施工过程中围岩振动速度和振动位移最大值均位于距掌子面6 m的已开挖区隧道拱顶围岩处，未支护情况下隧道拱顶8 m范围的围岩振动速度大于63.5 cm·s^-1，围岩处于损伤的状态，因此在爆破施工过程中应对已开挖区围岩进行预加固。     

基于弹塑性围岩压力计算方法与实测值的对比研究

隧道开挖行为会使围岩内部形成二次重分布应力,为了维持围岩的稳定,获取合理准确的围岩压力值对优化支护结构受力具有重要意义。在区域地应力场特征的基础上,以某隧道IV级及以下围岩段部分监测断面为例,基于开挖应力释放率模型,结合初始应力的横向和竖向应力分量值,采用不同的位移释放率对开挖应力释放的相关指标进行计算。基于修正的芬纳公式计算初始应力和洞壁径向位移条件下的围岩压力值,计算得到横向和竖向围岩压力理论值,最后在现场进行围岩压力测试,并按照荷载承担比例进行换算得到总的围岩压力值,并和两种理论计算结果对比分析,结果表明：采用应力释放率法比修正芬纳公式更接近实测值。     

层状岩体地下洞室施工阶段围岩精细化分级

围岩分级方法在实际应用中存在结果处理复杂、围岩分级量化数值范围交叉及围岩分级精度较低等问题，为了对层状岩体地下洞室施工阶段的围岩进行精细化分级，基于HC分类法，重点考虑层状岩体的层厚与产状对围岩稳定的影响，通过有限元软件Midas GTS对25种由正交试验方法得到的代表性工况进行了数值模拟，并将位移计算结果进行了极差分析。结果表明：层状岩体隧洞位移分布方向主要取决于结构面走向与洞轴线夹角α及结构面倾角β,而位移分布范围的大小主要取决于岩层厚度h;对层状岩体隧洞稳定性影响的大小排序为，饱和单轴抗压强度R_c>结构面走向与洞轴线夹角α>张开度W>层状岩体层厚h>结构面倾角β,因此，层状岩体隧洞围岩分级时，应充分考虑结构面产状的影响；饱和单轴抗压强度R_c、结构面走向与洞轴线夹角α均与层状岩体隧洞的稳定性近似呈正比，张开度W则与层状岩体隧洞的稳定性近似呈反比；层状岩体层厚h=0.6 m时，层状岩体隧洞稳定性最差，结构面倾角β=60°时，层状岩体隧洞稳定最差。基于HC分类法提出了基于隧道相对变形的修正分级区间，并分别采用了模糊物元...     

基于流-固耦合效应软弱围岩隧道CRD法开挖变形分析

以广东某高速公路弱质围岩隧道为工程背景,基于流-固耦合分析相关理论,对弱质围岩隧道CRD法开挖进行稳定性分析。运用FLAC3D软件分别在考虑渗流效应和不考虑渗流效应时,进行三维数值模拟,得到了相应的孔隙水压力和位移场变化特征,研究了渗流效应对隧道CRD法开挖过程中位移场的影响和在渗流效应下CRD法开挖隧道的变形控制。     

软岩隧道超前导洞应力释放力学机制及适用性

为研究软岩隧道超前导洞的适用性，基于经典弹塑性理论，建立深埋软岩隧道超前导洞法开挖应力释放的力学模型，采用2阶段的方法推导考虑超前导洞应力释放的隧道开挖弹塑性解。定义围岩应力释放比来反映应力释放的效果，并研究不同地应力、围岩弹性模量、强度等条件下超前导洞开挖半径对应力释放效果的影响。结果表明： 通过施作超前导洞可以降低作用在支护结构上的围岩压力，尤其是在高地应力环境或围岩较软弱的条件下，采用超前导洞法进行应力释放效果更加明显。但导洞半径并非越大越好，现场试验表明： 对于3车道大断面软岩隧道，导洞断面太大对隧道围岩的稳定不利。隧道施工中，应在保障围岩稳定的前提下进行应力释放，做到初期支护尽早封闭成环，实现隧道安全快速施工。     

极高地应力软岩隧道围岩变形时空效应分析

为探明隧道开挖时围岩变形时空效应特征，采用室内模型试验、理论分析和现场监测等方法，分析了宁缠极高地应力软岩隧道在不同开挖法下围岩的时空变形规律和时空特征曲线类型，研究了距隧道洞壁不同范围内的围岩径向变形规律。研究表明：极高地应力软岩隧道围岩变形的时空特征曲线可分为“抛物线”型和“台阶”型；“抛物线”型曲线包括急速增长和缓慢增长2个变形阶段，变形规律符合二次函数关系；“台阶”型曲线包括急速增长、缓慢增长、快速增长和基本稳定4个变形阶段，变形规律符合指数函数关系；隧道开挖引起围岩径向变形的范围大致是距洞壁0～2.5 D,距离洞壁不同范围内的围岩径向变形规律符合指数函数关系。研究结果对确定极高地应力软岩隧道的施工工序和最佳支护时机具有重要价值。     

裂隙岩体中渗流作用对隧道围岩稳定性的影响分析

隧道穿越节理裂隙发育地质环境时，水压力以及节理裂隙发育程度会对开挖后围岩的稳定性产生影响。以某隧道为工程背景，运用离散元理论，考虑流固耦合作用，分析了水位高度和节理法向刚度对隧道开挖后洞周位移收敛、围岩剪应力及塑性区、支护结构受力的影响。计算结果表明:在一定范围内，水位高度和节理法向刚度越大，围岩塑性区的范围越小，衬砌结构受到的内力越小，隧道越安全。     

开挖方式对公路隧道围岩稳定性影响的数值模拟研究

采用弹塑性理论,利用通用有限元程序ABAQUS建立公路隧道二维有限元模型,模拟实际的隧道开挖过程,分析了不同开挖方式对硐室围岩应力分布、围岩位移等的影响.     

基于特征曲线法考虑围岩刚度弱化隧道开挖变形分析

基于特征曲线法,建立考虑围岩刚度劣化本构模型开展不同开挖方式下隧道开挖空间变形特性研究,并与工程实际监测数据进行对比分析。结果表明:考虑刚度弱化后,三种开挖方式拱顶位移数值均增大;隧道开挖只对工作面前方20 m范围内围岩结构产生影响,对20 m范围以外影响甚微;在开挖工程中,距开挖工作面±10 m范围内拱顶围岩位移变化最大;为了有效控制围岩变形,开挖方式的优先顺序依次是中隔壁方式、预留核心土和台阶法;与未考虑刚度弱化的经典本构模型相比,采用刚度弱化本构模型计算得到的围岩压力释放过程更符合实际情况,拱顶位移计算结果与工程现场实际监测数据更为接近。     

基于无网格算法对隧道围岩弹塑性分析

通过引入广义粒子动力学数值法模拟隧道围岩的弹塑性变形特征,应用于隧道围岩模型结构分析中,确定隧道围岩不同侧压系数下的塑性区和应力场。研究结果表明:随水平应力的提高,隧道围岩塑性区从两帮朝顶部和底部方向转移。当λ2.0时,随水平应力提高,顶部和底部塑性区宽度开始增加,当λ2.0时,塑性区从顶底部向两肩和底角区域扩展,导致隧道稳定性突降;随洞壁距离的增加,隧道切向应力表现出一个先递增后下降的变化趋势,径向应力呈现出逐级递增,并在不同洞壁距离处获得原岩应力状态;隧道顶板和边墙水平位移随着λ的增大而不断增大,在λ1.0情况下,顶底板总位移相较于隧道围岩边墙位移要大;当λ1.0时,边墙总位移较围岩顶底板位移大;在剪胀角增加的过程中,塑性变形区也在不断的增加,围岩承载力也获得了一定幅度的增加。     

秦淮东河隧洞施工过程数值模拟分析

为保证秦淮东河工程西村隧洞的顺利实施,采用有限单元法对工程区的天然应力场进行数值模拟分析,建立三洞并线计算模型,分别从新挖河道、新建隧洞及上部覆土回填三个过程进行应力应变分析。提出分层开挖及回填的单层深度取值,监测分层开挖及回填时隧洞顶部位移及应力过程变化值。研究发现,隧洞进口处上部覆土约开挖四分之一深度时,存在边坡稳定隐患。覆土回填过程中,隧洞底部因竖向应力较大,而出现向上微拱变形。研究成果可直接应用于引水隧洞工程的设计计算和施工质量控制,可在类似工程中加以推广应用。     

寒区引水隧洞围岩冻胀特性分析——以新疆布伦口水电站引水隧洞工程为例

为解决寒区水工隧洞围岩在低温作用下孔隙水相变引起的冻胀问题,以新疆布伦口水电站引水隧洞工程为依托,基于弹塑性力学理论,采用有限元建模分析方法,考虑低温水-冰相变引起的围岩热力学参数变化,使用有限元软件建立温度-渗流-应力耦合模型,计算围岩冻胀力弹塑性解析解及围岩瞬态温度场、冻胀应力和位移,分析冻深变化规律以及冻胀前后的应力变形规律。研究结果表明:1)受低温影响围岩孔隙水发生相变,冻结圈随时间推移向围岩内部移动,冻深随之增大,且冻结计算时间200d内最大冻深为2.04m;2)围岩受冻胀作用后的应力为0.392～0.527MPa,较冻胀前相比有一定幅度的增长;3)围岩水平位移变为-0.36mm,竖直位移由冻胀前的-9.59mm变为-8.41mm,围岩状态表现为水平收缩0.36mm、拱顶沉降1.18mm。