基于BP神经网络的阿拉套山隧道围岩物理力学参数反演分析

为研究高寒地区设置中心深埋水沟单线铁路隧道的围岩力学参数问题，以兰新铁路新建博州支线阿拉套山隧道为工程背景，基于FLAC3D数值模拟软件联合MATLAB中的神经网络工具箱构建BP神经网络算法，建立隧道开挖位移正演和反演模型，对围岩物理力学参数作反演分析。通过对中心水沟开挖前的拱顶和拱腰监测数据做拟合分析，发现隧道变形已趋于稳定，反演过程不需考虑中心水沟开挖对围岩的二次扰动。以水沟开挖前的拱顶沉降值和拱腰收敛值作为输入函数，以围岩的体积弹性模量K、剪切弹性模量G、黏聚力c、内摩擦角φ、重度γ作为输出函数训练神经网络模型，利用训练好的模型进行所需参数的反演分析。将反演参数代入FLAC3D正演模型计算后，提取中心水沟开挖前的拱顶沉降值和拱腰收敛值，与中心深埋水沟开挖前的实际监控量测值相比较为接近。结果证明，围岩物理力学参数的反演较为合理，对于变形的预测较为准确，可为隧道后期工程的施工和优化设计提供参考。     

泥砂岩互层隧道围岩蠕变变形的有限元分析

随着我国高速公路隧道建设事业的迅速发展,越来越来的隧道开挖需要面临泥砂岩互层围岩蠕变变形过大的安全问题。基于贵州省望安高速公路河边隧道的工程概况,采用ABAQUS有限元分析软件,建立了泥砂岩互层隧道围岩蠕变计算模型,得到了围岩蠕变30 d后的水平位移和竖向位移分布云图,给出了监测点水平位移和竖向位移随时间的变化曲线,分析了泥砂岩互层隧道围岩蠕变过程中水平位移和竖向位移的分布规律。计算结果表明,泥砂岩互层隧道围岩蠕变过程中拱顶沉降随时间增加的程度最显著,且预留变形量由拱顶沉降控制。     

软土地区浅埋暗挖大断面隧道拱顶沉降实测分析

软土地区的浅埋隧道由于土层软弱,易产生较大变形和坍塌。为解决隧道开挖时的围岩变形及开挖工法选择问题,依托紫之隧道第1标段暗挖段工程,对洞内拱顶沉降、拱腰收敛和仰拱隆起进行实测,对实测数据的规律与影响因素进行分析。研究结果表明： 1)CRD工法在淤泥质软土中与四台阶法在强风化泥质粉砂岩中测得的拱顶沉降都较大; 2)拆除隧道支撑会引起较大的拱顶沉降,其比例占总拱顶沉降的14.63%; 3)隧道在淤泥质软土中开挖时会发生椭圆化变形,二次衬砌完成后,由于隧道基底承载力不足,隧道产生了整体沉降; 4)降雨会使上部土体超载,并弱化围岩的强度,导致拱顶沉降加大; 5)土质条件与施工工法的变化都会明显影响拱顶沉降,在隧道变形要求严格的区域或淤泥质软土中,采用CRD工法开挖风险仍较大。     

不同结构形式下公路隧道的稳定性数值分析

主要对平底隧道和仰拱隧道二者的围岩受力和隧道周围位移进行对比分析,得到以下结论:开挖过程中两种隧道模型最大压应力值存在差别,且上台阶开挖要比下台阶开挖时最大压应力值要大;开挖过程中仰拱隧道的最大拉应力一直略小于平底隧道,说明施加仰拱对围岩整体受力较好;随着隧道开挖步的进行,两种隧道模型均呈现出拱顶沉降和拱底隆起位移增长的趋势,且仰拱隧道拱顶沉降值一直略大于平底隧道,而仰拱隧道拱底隆起值一直略小于平底隧道;两种隧道模型上拱墙竖向沉降基本一致,而仰拱隧道底部隆起位移均小于平底隧道,且仰拱隧道隆起位移最大值要比平底隧道小6. 78%,这与仰拱隧道底部围岩和衬砌的"拱作用"有关。实际工程中应综合考虑各方面进行方案选取。     

基于应力释放率的大跨径回填土隧道的围岩稳定性研究

以重庆轨道交通环线单洞双线区间隧道某标段为例,采用有限元软件Midas/GTS进行数值分析,研究回填土隧道围岩应力应变随施工过程的变化规律,并探讨了应力释放率以及注浆不同尺寸对围岩稳定性的影响。研究表明:大跨径回填土隧道开挖完毕,拱顶沉降最大值出现在隧道开挖起始端,水平净空收敛最大值出现在开挖末端;隧道应力释放率增大,拱顶沉降和水平净空收敛增幅剧烈;管棚注浆起始厚度为0.4m时,隧道拱顶沉降、水平净空收敛值、路面沉降分别减少36.5%、47.0%和18.6%,注浆厚度由0.4m增加到1.6m,隧道拱顶沉降和水平净空收敛值分别减少14.2%和14%。     

地铁盾构隧道施工引起地表沉降的数值模拟

以昆明轨道交通某区间盾构隧道施工过程中地表沉降的现场监测数据为基础,运用FLAC3D有限差分软件建立模型,对盾构施工开挖过程进行模拟,计算隧道开挖引起的地表沉降量。讨论了不同围岩应力释放条件下地表变形规律,以及隧道围岩在相同应力释放条件下在掌子面施加支护力前、后地表变形间的联系,同时将模拟计算得到的变形数据与工程实测数据进行比较分析。     

不同溶洞条件对大跨隧道开挖影响敏感性分析

该文以江西萍莲高速公路莲花隧道为工程背景,首先通过数值模拟软件建立大跨隧道在不同溶洞条件下的开挖模型,分析Ⅳ级围岩段某典型断面溶洞在不同位置、不同距离和不同扁平率3种条件下,大跨隧道开挖时地表沉降和拱顶沉降的发展变化规律,获取某典型断面隧道拱顶沉降和地表沉降的累积值,然后构建溶洞在3种水平条件下隧道围岩稳定性的正交试验模型,进行不同溶洞条件对大跨隧道开挖影响敏感性分析。研究结果表明:在不同溶洞条件下,溶洞位置是影响隧道开挖围岩稳定性的主要因素,其次是溶洞离隧道的距离和扁平率大小。     

基于正交试验的软岩隧道围岩稳定性影响因素敏感度分析

基于某供水专用软岩隧道,采用正交试验法对其围岩稳定性影响因素进行敏感度分析,确定影响拱顶沉降、仰拱隆起和水平位移的主要因素,分析各因素对软岩隧道围岩稳定性的影响。结果表明：提高支护结构混凝土等级和厚度可减小拱顶沉降量,支护施工距离的增加会导致拱顶沉降量、仰拱隆起量逐渐增加,采用全断面法开挖可使拱顶沉降和仰拱隆起最小化;混凝土等级是影响水平位移结果的最显著因素,支护施工距离和开挖方案的影响次之,混凝土厚度是影响水平位移结果的较弱因素。提出优化施工方案,建模分析并通过现场监测进行验证。     

某地铁上下线平行隧道施工关键技术研究

该文以某地铁线路为研究对象,针对该线路存在上下平行式隧道,通过建立隧道的有限元模型,对隧道开挖后围岩周边的应力分布、应变特征及位移情况进行了分析,对可能产生环境影响的拱顶沉降进行了全面监控。数值分析表明:先行隧道采用全断面法可以控制围岩变形并使围岩变形处在允许范围内,综合考虑施工便利性、投资等多种因素,先行隧道采用全断面法施工。从监测结果可知:该断面在开挖后的沉降和水平变形速率始终平稳、正常,沉降残差均未超过2mm,且随时间下降,趋势平缓,说明了围岩已基本稳定,隧道施工过程安全。     

漳龙高速公路扩建隧道围岩力学特性三维有限元分析

为分析隧道扩建过程中围岩的力学特性,确保施工期间围岩的稳定性,以漳龙高速公路后祠隧道扩建工程为依托,建立了反映实际地形的三维有限元模型,对后祠扩建隧道施工期间地表沉降、拱顶下沉、周边位移的特征以及拱脚和拱顶的应力变化规律进行计算分析。计算结果表明： 原位扩建隧道位移变化规律不同于普通新建隧道位移变化规律,隧道原位扩建施工过程中,地表沉降曲线表现出了明显的非对称性; 隧道掌子面前方12 m及掌子面后方24 m范围内变形较为迅速,为非稳定变形段; 根据隧道拱顶位移曲线,提出了针对扩建隧道位移空间变化规律的公式,该公式能预测后祠隧道的变形,从而为施工提供建议和指导; 隧道拱脚表现为压应力集中区,随着开挖的进行,拱脚主应力逐渐增大,而拱顶主应力逐渐减小并向拉应力过渡,最终拱顶呈现出较小的拉应力。     

基于粗糙集和云模型的隧道施工过程动态风险评估

综合考虑隧道工程的实际地质情况及施工量测体系,选取净空收敛、拱顶沉降、围岩压力、岩石单轴抗压强度和地下水等5个因素作为隧道施工过程中动态风险评价指标。采用粗糙集理论确定指标权重,基于云模型基本原理,建立了隧道新奥法施工过程动态风险评估模型。该模型可以将施工量测数据量化为动态指标,并随隧道的开挖进行动态风险评估。工程应用结果表明,该模型的评价结果与实际开挖情况相吻合,对后期的隧道施工起到了较好的指导作用。     

隧道拱顶沉降及周边收敛动态过程预测的Richards时间函数模型

隧道围岩变形(拱顶沉降、周边收敛)一直是岩土工程中的热门问题。针对传统的曲线预测模型存在的不足,提出含有4个参数的增长曲线模型-Richards模型。对隧道开挖造成的围岩拱顶沉降及周边收敛的动态过程进行分析,得出掌子面后方围岩变形过程的3个阶段,将此作为依据,获取变形(拱顶沉降、周边收敛)—时间曲线的基本特征,表明围岩沉降及收敛过程是一个先加速后减速的过程,且相应的速度-时间曲线的起点为零,终点也为零。因此,能描述围岩变形过程的时间函数模型可较好地拟合其位移-时间曲线,也能拟合速度-时间曲线。最后通过工程实例验证了Richards时间函数模型的合理性,发现所提出的模型对拱顶沉降及周边收敛的预测结果精度高,具有一定的参考和使用价值。     

浅埋隧道单侧扩建施工方案优化

目前国内外常见隧道扩建施工大都采用传统新建隧道的施工方法,但由于传统开挖方法忽略了原隧道衬砌对围岩的长期支撑稳定优势,降低了施工效率。依托重庆渝州隧道扩建施工实例对扩建优化施工方案进行了深入研究,提出了浅埋隧道单侧扩建优化施工方案,即横向采用合理拱轴线开挖,纵向采用跳槽开挖的新方法。通过现场监控量测和ANSYS三维有限元模拟还原施工全过程进行对比分析。采用优化施工方案时,随着开挖掌子面的推进,原隧道衬砌受压应力计算值增大,纵向跳槽开挖时未拆除的原隧道衬砌能够发挥柱的作用,承担因跳槽开挖而产生的围岩压力,可有效提高施工安全稳定性。横向采用合理拱轴线开挖,使得开挖后围岩压力传递更加合理,并显著降低了初期支护结构拉应力和一定程度上增加了初期支护结构压应力。数值计算结果及现场监控量测数据对比显示,浅埋隧道单侧扩建开挖方案优化后拱顶位移比现状开挖方式小约16%～20%,且拱顶基本不出现受拉区,证明优化后的开挖方案在地下工程开挖卸荷时改变了原围岩的应力路径,能够充分调动围岩的自稳能力。故采用优化施工方案不但能够减少拱顶沉降,降低衬砌的拉应力,还能在保证施工安全的同时缩短施工工期,为今后的类似隧道扩建工程提供借鉴。     

内蒙古地区马兰黄土隧道围岩及支护特性研究

通过对窑沟隧道周边收敛、拱顶下沉、围岩压力、钢拱架内力、喷射混凝土应力和锚杆轴力进行监控量测,了解隧道开挖过程中马兰黄土隧道围岩变形特性及支护结构受力特性。结果表明:施工过程中拱部沉降的量值远大于净空收敛的量值;围岩压力分布不均匀;钢架支护在隧道支护体系中起着非常重大的作用;拱部系统锚杆对结构的稳定性作用不大;水对拱顶沉降的影响非常严重。     

基于多变量的集成预测模型在隧道拱顶沉降变形预测中的应用

隧道拱顶沉降是多种因素共同作用的一个十分复杂的过程,很难用数学模型进行精确计算。实际施工过程中,围岩情况经常发生变化,为满足设计要求,必须严格控制隧道拱顶沉降。传统的预测模型都只是利用拱顶沉降监测数据建立单变量模型进行拟合并预测。隧道开挖过程中,拱顶变形所受影响因素较多,导致监测数据序列中常常出现离散型较大的数据,单一变量模型预测精度受这些离散数据的影响较大,而且筛除离散型较大的数据会直接影响模型预测精度,因此单一模型只能对拱顶沉降量做粗略的估计。针对这一问题,根据隧道变形的同时性和内在相关性,利用拱顶变形监测数据和同期两侧收敛变形监测数据构建带输入变量的时序模型、GM(1,2)模型和BP模型分别对拱顶沉降变形进行预测,并运用实例验证了所建模型的有效性。通过对两种模型的预测精度进行对比可知,单一变量的时序模型只能对变形的趋势作出预测,预测精度较低,难以对拱顶沉降进行有效预测,而单一变量的GM(1,1)预测模型则完全失效。为了避免单一模型自身的缺陷导致预测精度降低,同时使不同模型间优势互补,本研究建立了基于以上3种带输入变量模型的集成预测模型,其加权系数采用熵值法确定;最后将该模型运用于宝汉高速白庙子隧道中进行检验,结果表明该集成模型更有效,预测精度更高。     

上下台阶法和CRD法施工下超大断面隧道围岩控制机制数值试验研究

为明确超大断面隧道软弱围岩破坏及控制机制,系统开展上下台阶法和CRD法开挖方式下超大断面隧道软弱围岩控制机制数值试验,对比分析不同强度等级围岩下隧道拱顶位移、最大塑性应变、支护构件受力变化规律,得出结论:不同开挖方式对隧道拱顶位移、最大塑性应变、支护构件应力影响显著;CRD法对隧道的拱顶位移、最大塑性应变、支护构件应力的控制效果比上下台阶法要好,且随围岩强度等级越低、隧道拱顶沉降越大,塑性区范围越大,支护构件应力越大,围岩稳定性越差。     

上软下硬复合地层双线平行隧道施工影响分析

在隧道建设过程中会遇到上软下硬的复合地层,如何控制复合地层隧道开挖对围岩和地层变形的影响成为亟待解决的工程问题。青岛地铁十三号线(R3)二期工程在施工中,隧道穿越上覆地层以土层为主、下部以岩层为主的"上软下硬"复合地层。通过采用数值模拟和现场监测并反馈的方法对青岛地区"上软下硬"复合地层双线平行隧道围岩变形特征和地层移动规律进行研究。研究结果表明:隧道在穿越均一或复合地层时,围岩和地表会产生不同程度的变形;隧道围岩软硬岩比例越高,隧道拱顶下沉、隧道底板隆起和地表沉降量也越大,且以先行隧道拱顶沉降最为显著,在施工中应加以重视。这为双线平行隧道在上软下硬复合地层施工提供了一定的指导意义。     

浅埋小净距隧道合理净距及围岩稳定性分析

以贵州盘兴高速公路司家寨小净距隧道工程为例,采用有限差分法对不同净距下的小净距隧道进行了数值模拟研究,对比分析其拱顶沉降、拱底竖向位移、中夹岩竖向位移及剪应变增量的变化规律,探讨Ⅴ级围岩下的隧道合理净距以及围岩稳定性。结果表明:净距较小时隧道左右洞开挖的应力叠加效应明显,随着净距的减小,计算的各数值明显增大,围岩特别是中夹岩极有可能发生屈服破坏甚至失稳;小净距隧道选择净矩D为10 m较为合适。隧道的最大变形出现在拱顶、拱底靠近中夹岩柱方向约20°左右位置,而中夹岩的最大变形主要出现在中岩体靠近开挖断面位置且处于上下分布。     

烟台山大跨度小间距隧道施工方法的选用分析

为了选取合适的施工方法,保证大跨度小净距隧道的施工安全,以市琅岐环岛路西北段烟台山隧道为工程背景,开展了隧道合理施工方法选用分析。通过Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法和Ⅳ级围岩采用中隔壁法施工,对施工过程中的拱顶沉降、水平收敛、地表沉降等进行了数据分析。结果表明:Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法和Ⅳ级围岩采用中隔壁法,隧道周边收敛、拱顶沉降和地表下沉均未超过限定值,说明选用的开挖方法合理。     

流固耦合下的软弱围岩隧道施工工法优化研究

CRD法和双侧壁导坑法在无水条件下对隧道围岩稳定性有很好的控制效果,但是在流固耦合条件下的软弱围岩环境,两种工法对围岩稳定性的影响不同。以内蒙古金盆湾公路隧道为依托,采用差分软件FLAC3D,在流固耦合效应情况下,对深埋隧道进行两种工法开挖模拟,对隧道关键点进行监测,分析开挖过程中的渗流变化、拱顶沉降、地表沉降、应力分布和塑性区。计算结果表明:两种工法开挖后软弱围岩呈现大面积的X形剪切带。双侧壁导坑法对渗流场影响较小,拱顶位移和地表沉降为CRD法的63%左右,且在开挖过程中拱顶最大最小主应力较小,但在导坑钢架与初期支护连接处易出现较大拉应力集中,塑性区面积小于CRD法,综合表明更有利于围岩稳定性。