大跨城市隧道施工三维有限元分析

针对城市大跨度隧道施工特点,考虑材料和几何非线性的影响,基于大型有限元分析软件Midas GTS,建立结构与围岩连成的三维弹塑性大变形计算分析模型,模拟隧道施工的过程,得出了隧道开挖不同阶段的围岩应力、变形的分布状态,据此对隧道稳定性进行评价。通过开挖过程的三维数值模拟,可了解大跨度隧道围岩应力分布、支护受力状态,剖析施工过程对围岩稳定的影响,从而为采取合理的措施调整支护参数提供重要依据和参考。     

岩石循环冲击损伤模型及其参数的确定方法

建立了基于 Weibull分布的统计学岩石冲击损伤本构模型。在理论假设的基础上,通过公式推导,建立了岩石单元体损伤本构模型。并通过数学的方法,确定了模型中参数的计算公式和方法,明确了参数的物理意义。建立了岩石在循环冲击作用下的损伤变量的表达式,分析了岩石在循环冲击作用下的损伤累计演化规律。在中南大学动静组合加载实验系统上,开展了岩石在不同应力状态下的循环冲击实验,将实验数据带入本构模型中。分析结果表明：实验曲线与理论曲线接近重合,验证了该模型的合理性;初步分析了岩石在循环冲击作用下的损伤演化规律以及破坏失稳过程。该实验为岩石在动力扰动作用下的力学机理以及岩爆产生的机制提供了一定的理论依据。     

浅埋偏压隧道开挖顺序数值分析

利用平面数值模拟方法,以某浅埋偏压的公路隧道施工为背景,对隧道左右洞开挖顺序进行施工数值模拟,分析开挖过程中围岩应力的变化情况,找到两种开挖方式在整个开挖过程中最容易产生破坏的施工步骤,得出浅埋偏压隧道先开挖深埋侧可避免出现较危险的施工状态这一结论,对研究类似工程的施工具有一定的指导意义。     

面向爆破应力波小净距隧道混凝土安全振动标准研究

为进一步细化《爆破安全规程》的评价标准,基于应力波理论推导爆破应力波在围岩及衬砌的反射与透射形态,通过爆破应力波引起混凝土与围岩的粘结力失效或混凝土的抗拉破坏的临界值作为临近既有隧道区爆破开挖的安全控制指标。采用有限元软件GTS—NX进行数值计算,得到在爆破开挖时既有隧道衬砌的动力响应特征。通过对爆破荷载下小净距隧道混凝土的动力响应特性研究可知:爆破应力波以球面波的形式延展,其数值呈先增大后减小的趋势,且既有隧道迎爆侧围岩的数值最大,导致围岩损伤、混凝土受拉破坏及二者粘结力减弱。以混凝土与围岩间的粘结力及混凝土的抗拉强度为控制指标得到小净距隧道爆破先行洞混凝土在3 d、7 d与28 d龄期时安全振动速度分别为2.63、6.43与10.24cm/s,该值综合考虑了混凝土与围岩的影响,比规程的评价标准具有较好的安全储能。     

水平泥砂互层隧道围岩稳定性研究

以大梁峁特长公路隧道为依托,针对水平层状岩体隧道,采用ANSYS数值分析软件将水平泥岩砂岩互层岩体等效为正交各向异性的方式,对隧道开挖过程中围岩稳定性进行了数值试验分析,通过分析围岩塑性区、围岩应力、隧道变形、锚杆轴力、初支及二衬内力,得出施工采用支护参数的合理性和水平泥岩砂岩互层隧道围岩变形和初支、二衬应力的分布特征.     

浅埋双侧偏压小净距隧道施工力学效应研究

结合某浅埋双侧偏压小净距隧道工程为背景,以弹塑性理论为依据,利用有限元分析软件建立了考虑双洞先后施工过程的隧道数值模型,主要研究了此类隧道在各个施工阶段的围岩压力特征及位移特征,并以围岩应力比的概念来反应隧道双侧偏压的特点,研究表明偏压对隧道洞室内外侧围岩压力及位移影响较大,在隧道设计时应予以重视。     

应力剪胀对浅埋偏压隧道破坏面形状的影响

采用有限差分软件,对浅埋偏压单线铁路隧道和四车道公路隧道进行数值模拟。研究了围岩的松动土体力学行为,主要考虑应力剪胀对浅埋偏压隧道破坏面形状的影响,并将数值模拟的结果与规范理论解进行了比较。结果表明：剪胀角对浅埋偏压隧道围岩位移和破坏面形状有较大影响。因此,在确定浅埋偏压隧道围岩松动压力时应该考虑剪胀对破坏面形状的影响。     

基于现场直剪试验和强度软化的围岩压力解析

高地应力、强挤压软岩隧道在开挖前,隧道设计线路范围内的原岩就已处在塑性状态,隧道开挖后对支护有影响的围岩处于不同的塑性区范围内.就此,考虑到岩体的力学性能通过现场试验能较为全面地反映,对两座隧道高地应力软岩段的现场直剪试验曲线进行分析,并进行室内常规三轴压缩试验,得到了适用于塑性软岩隧道的简化本构关系曲线和应变软化模型.在此基础上对圆形塑性软岩隧道支护后的围岩应力状态和位移状态进行分析,在考虑围岩强度参数■、■随应变软化的情况下,推导出了塑性软岩隧道的扰动区半径r_d和支护力p_i解析表达式,并建立了动态支护力p_i与动态隧道壁径向位移u之间的关系,研究成果可为高地应力、强挤压塑性软岩隧道的支护设计提供一定的参考.     

隧道进洞与边坡相互作用机理及控制

隧道进口开挖后,隧道结构与边坡工程相互作用。受上覆自然边坡地形及地质结构因素影响,对内(隧道衬砌)产生偏压作用,导致衬砌受力不均而裂缝;因内部开挖卸荷和应力松弛,上部边坡不同程度开裂或变形超限。研究针对某隧道进口段工程实际需求,基于围岩压力和隧道开挖后松动圈、塑性区及变形计算理论,分析了初期支护裂缝和坡体变形超限发生机理;从机理特征出发,通过支护结构特征曲线与围岩支护需求曲线相结合,针对性地提出了非均匀控制措施和相应的支护参数。现场监测验证表明,基于支护结构刚度思想建立的非均匀支护控制措施是合理的,可供类似工程参考借鉴。     

软岩隧道拉锚结构数值分析与支护机理研究

为研究拉锚结构在软岩公路隧道的支护效果并推进其应用发展,针对两台阶法开挖的Ⅴ级围岩公路隧道,使用FLAC3D进行数值分析。根据拉锚结构构件连接方式,提出拉锚结构模拟方法并建立模型,对4种不同支护方法的隧道围岩位移、应力和支护结构受力特性进行了对比分析,总结拉锚支护的结构受力特性和支护机理。结果表明:拉锚支护在改善围岩应力状态、减少隧道位移和发挥支护结构效用3个方面均最优;拉锚支护能够明显改善拱腰处应力状态和变形情况;拉锚支护的锚杆所受轴力大于传统支护,其轴力大小分布从杆尾到杆端越来越大;拉锚支护的横向钢带在各点的应力均大于钢拱架,尤其在拱腰处。     

孙家崖偏压-滑坡隧道围岩变形和受力特征分析

新奥法施工的核心思想是把隧道围岩和支护结构作为一个完整的支护体系来考虑,监控量测是新奥法施工不可缺少的环节.以奉(节)巫(溪)高速公路孙家崖隧道为工程背景,基于该隧道浅埋、偏压、隧道洞口段穿越滑坡体等工程特点,通过现场监测隧道内围岩变形和围岩应力,结合左右线施工方法分析得出,该隧道左右线围岩的变形规律;围岩压力的分布规律;围岩变形与压力的关系;隧道与滑坡体之间的相对稳定关系.研究过程为该隧道的信息化施工提供了保证,同时研究成果也可为设计和分析研究其它同类工程提供参考.     

层状软岩隧道围岩破坏的连续-离散耦合分析

为了研究层状岩体中隧道开挖后围岩的破坏机理,以汶马高速鹧鸪山隧道为例,基于离散元-有限差分耦合算法,建立了一种新的层状软岩隧道开挖模拟方法,采用该方法对不同地应力场、层理间距等因素影响下围岩的破坏模式进行了数值模拟. 研究结果表明:隧道开挖后,应力重分布导致强度较低的层理面首先发生滑移及张开破坏,岩体的滑移及张开使得应力场受到进一步扰动,导致层间岩体产生拉裂破坏;同种水平应力条件下,随着侧压力系数的减小,岩体产生的微裂纹不断增多. 当侧压力系数为1.00、0.80、0.67、0.57、0.50时,微裂纹总数分别为304、391、602、999、1 240;当层理间距为0.6 m时,层理对围岩破坏形态起控制作用;随着层理间距从0.6 m增加至1.2 m,层理对围岩破坏模式的控制作用减弱,围岩的破坏形态与均质围岩相似.      

双侧壁导坑与 CD 法对超大断面隧道开挖影响分析

随着高等级公路的大量建设,超大断面隧道不断涌现。目前对超大断面隧道力学性质与支护结构机理及其施工方法的研究仍然不足。以郑州市中原路西延线韩门超大断面隧道为工程依托,采用有限元分析方法,对超大断面隧道开挖过程进行有限元模拟,揭示双侧壁导坑法与CD法开挖方式下隧道围岩的变形规律、应力分布特征等,为超大断面隧道设计和施工提供理论依据,并通过现场监测予以验证。揭示大断面隧道开挖变形机理,优化施工技术,以指导超大断面隧道设计和施工。     

张家山隧道浅埋偏压段施工技术

在山区高速公路隧道施工中遇到浅埋、偏压、软弱围岩的情况下,如何改进施工工艺,进行地表处理．开挖支护,选择何种进洞方案,是决定施工安全和整条隧道施工成败的关键。重庆云阳至万州高速公路张家山隧道出口部分处于严重浅埋偏压段,重点讨论了地表注浆预加固和单侧预切槽镶嵌拱架式进洞的分部开挖法．成功解决了施工中的难题。     

基于实测数据的穿越软塑黄土层大断面隧道围岩与支护动态作用机制

选取软塑黄土层分布于隧道拱顶、洞身和隧底3组典型断面开展实测研究，分析了软塑层影响下的围岩变形特征、支护结构力学特征及其差异性，提出了基于实测数据确定支护特性曲线的方法，揭示了软塑黄土层影响下的围岩与支护动态作用机制，给出了相应的防控理念及措施。分析结果表明：隧道围岩变形由大到小依次为软塑黄土层分布于拱顶段、洞身段和隧底段；软塑黄土层分布于拱顶段支护结构拱肩和边墙脚、洞身段拱腰及其以下位置、隧底段拱部和仰拱承受较大围岩压力作用；支护结构承受主要荷载来压方向不同、围岩应力随开挖步序释放率不同及地下水渗流路径不同是3组断面支护结构应力存在差异的直接原因；软塑黄土层分布于拱顶和洞身段时，围岩超前应力释放率约为35%,上台阶开挖支护结构力学性能迅速恶化，软塑黄土层分布于隧底段时，下台阶开挖软塑黄土层对支护结构将产生显著影响；针对上述3类工况，提出的强支护、控侧压和防突沉的防控理念及超前帷幕注浆、大锁脚和基底袖阀管注浆等施工控制措施可有效避免施工灾害的发生。     

务川至正安高速公路分离式隧道开挖施工关键技术

分离式隧道是目前深埋长大高速公路隧道的主要施工方式。结合务川至正安高速隧道施工实例,阐述隧道Ⅳ级围岩开挖技术及方法,并探讨隧道初期支护施工方法及施工技术措施,可为相关施工提供参考。     

隧道围岩动态变形规律及控制技术研究

基于前人既有研究成果和日本龟浦隧道围岩变形试验,结合郑西客运专线大断面黄土隧道围岩大变形的工程实践,阐述隧道施工影响下围岩变形动态规律,提出围岩变形控制的技术要点和技术措施,并提出相应的围岩变形控制建议.研究结果表明：隧道开挖后的围岩变形可分为掌子面前方的先行变形、掌子面变形及掌子面后方变形3种形式,且这3种变形是同时发生的.控制开挖工作面失稳、拱顶失稳、拱脚下沉和围岩大变形等是隧道围岩变形控制的要点.开挖过程控制和辅助工法控制是隧道围岩变形控制的重点,其中初期支护及时闭合和合理辅助工法的选取是关键.     

考虑隧道围岩蠕变的复合式衬砌受力规律

将锚杆作用力视为体力作用于围岩内, 将初期支护与锚杆锚固范围内的围岩视为围岩加固体, 建立了围岩力学模型, 基于统一强度理论分析了隧道蠕变条件下的围岩应力与变形规律, 推导了复合衬砌应力与变形表达式, 分析了隧道围岩蠕变过程中支护结构受力特点及不同初期支护强度下二次衬砌受力变化规律。分析结果表明: 当初期支护按照“初期支护应与围岩共同受力且能保证施工阶段安全”的原则进行设计时, 在围岩蠕变作用下, 锚杆与喷射混凝土最大受力分别为48、286kPa, 与开挖阶段相比分别增大了57.5%、13.7%, 且超过支护结构最大承载力, 说明在进行初期支护设计时, 仅满足隧道开挖过程中围岩稳定而不考虑蠕变产生的附加应力影响, 可能造成隧道运营过程中初期支护结构破坏, 不利于隧道稳定; 当二次衬砌厚度由300mm增大至500mm时, 二次衬砌最大受力增大了40.5%, 荷载分担比由25.2%增大至36.2%, 而增大初期支护强度后, 二次衬砌受力减小了14.5%, 荷载分担比由25.2%减小至22.3%, 说明二次衬砌荷载随初期支护强度增大而减小, 而随自身强度增大而增大, 应重视初期支护与二次衬砌支护强度的协调配置, 实现围岩压力的合理分配; 在软岩地质条件下, 应保证隧道施工过程中围岩稳定并避免围岩蠕变过程中发生结构破坏, 以实现初期支护与二次衬砌共同承担蠕变引起的附加应力。      

Stresses and Shear Fracture Zone of Jinshazhou Tunnel Surrounding Rock in Rich Water Region

Field evidence has shown that large-scale and unstable discontinuous planes in the rock mass surrounding tunnels in rich water region are probably generated after excavation. The tunnel surrounding rock was divided into three zones, including elastic zone, plastic damage zone and shear fracture zone fof assessing the stability of the tunnel surrounding rock. By local hydrogeology, the stresses of surrounding rock of Jinshazhou circular tunnel was analyzed and the stress solutions on the elastic and plastic damage zones were obtained by applying the theories of fluid-solid coupling and elasto-plastic damage mechanics. The shear fracture zone generated by joints was studied and its range was determined by using Mohr-Coulomb strength criterion. Finally, the correctness of the theoretical results was validated by comparing the scopes of shear fracture zones calculated in this paper with those from literature.     

基于灰色理论的高速公路隧道围岩变形预测方法及应用

结合张涿高速公路隧道工程,建立灰色预测模型,并对其隧道开挖围岩变形量进行预测,取得了较好的效果.