前伏溶洞巷道开挖突水数值模拟研究

为研究前伏溶洞对巷道开挖围岩稳定性的影响,文章结合工程实例,采用FLAC~(3D)建立考虑渗流-应力-损伤相互影响的数值模型,分析了溶洞巷道围岩在开挖过程中应力、变形、塑性区以及渗流场的变化特征。分析结果表明:(1)当工作面靠近溶洞时,溶洞对巷道前方岩体的分区破裂损伤现象有一定的抑制作用;(2)随着工作面距溶洞距离的减小,巷道工作面岩体最大位移将逐渐增大并出现"突变"特征,同时最大位移位置也会随着涌水通道的变化而不断变化;(3)当防水岩柱小于一定厚度时,前伏溶洞巷道围岩涌水量将会突然增大,表现出明显的突水现象;(4)巷道围岩渗流与渗透系数变化是导致前伏溶洞巷道突然发生坍塌、掉块以及突水的根本原因。     

完整围岩剪切型岩爆发生的力学机制

文章根据大量工程岩爆实例,总结剪切型岩爆的特征,在此基础上提出一个剪切型岩爆的简化力学模型,在考虑岩爆区岩体自身能量释放的基础上,结合Cook刚度理论对剪切型岩爆发生的物理力学过程进行研究,分析由于潜在剪切破裂面本构曲线峰后软化现象而产生的围岩结构失稳,以及失稳阶段围岩结构对外界的能量释放,对剪切型岩爆的非稳定性机制进行探讨。研究结果表明:剪切型岩爆可以看成是由于开挖应力集中作用下潜在剪切破裂面剪切错动滑移,引起自身及周围完整岩体能量突然急剧释放,导致岩爆区岩体破碎并向开挖临空面抛掷的现象。岩爆区岩体及周围完整岩体所释放的能量对剪切面的作用相当一对串联弹簧的作用效用。剪切型岩爆的发生受岩性、潜在剪切破裂角、剪切面周围岩体刚度的控制作用,是围岩受力变形过程中岩石材料力学性质渐进性劣化导致的一种能量释放驱动下的围岩状态失稳突跳现象。     

节理岩体隧道围岩稳定性判定指标合理性研究

隧道围岩失稳模式和稳定性判据一直是工程界争论的焦点,迄今没有科学合理的标准,常以洞周位移或塑性区经验值作为稳定性判定指标。洞周位移受围岩弹模、隧道形状等因素影响,而且不同部位变形值差异很大,很难找到统一标准;以塑性区作为稳定性判据优于以位移作为判据,围岩塑性化反映连续介质宏观塑性流动力学动态,而不能用于量化判定由优势结构面控制节理岩体破坏的隧道稳定性。文章结合细观节理形态和变化,通过UDEC离散元程序,研究节理岩体隧道失稳模式及量化的稳定性判定指标,探讨了细观结构机制和宏观力学行为关系。结果表明:(1)结构面极大地削弱岩体力学性质及其稳定性,结构面变形与强度性质对于隧道稳定性起着关键控制性作用;(2)节理岩体隧道扰动区可划分为脱落区、张开区和剪切滑移区,其中脱落区表征围岩失稳模式,张开区围岩处于脱落临界状态,即塌方潜在区域;(3)剪切滑移区是诱发围岩发生渐进性破坏主因,提出将剪切滑移区作为节理岩体隧道稳定性判定指标具有严格力学依据,可以定量化评价围岩稳定程度。最后,以在建兰渝铁路木寨岭隧道为例,对比了锚杆支护前后力学效应,验证了以剪切滑移区作为节理岩体隧道稳定性判定指标的可靠性、合理性和现实性。     

考虑蠕变与渗流作用的软土基坑开挖模拟研究

为研究渗流与蠕变的相互耦合作用对软土基坑开挖的影响,文章以深圳地铁11号线前海湾站基坑工程为背景,基于FLAC~(3D)中的渗流和蠕变分析模式,对不同计算条件下软土基坑的桩后水压力、桩位移、地表沉降以及坑底隆起等的变化规律展开研究。研究结果表明:(1)渗流和蠕变作用均会对基坑开挖变形产生较大影响,只有综合考虑这两者间的相互影响,才能保证基坑开挖模拟计算结果与实际相符合;(2)基坑开挖过程中,基坑两侧桩最大位移值和位置都与开挖时间呈指数衰减关系,而基坑两侧地表最大沉降除会在每次降水过程中急速增大外,其余时段则与开挖时间保持相对缓慢的线性增长关系;(3)随着潜水水位埋深的增加,基坑两侧地表最大沉降和桩体最大位移都将线性减小。     

弱胶结软岩地层煤巷稳定性的参数影响度及其破坏特征

西部矿区弱胶结软岩地层煤巷的稳定性是目前施工过程中亟待解决的问题。煤巷失稳是岩体-煤体-岩体组合结构的整体力学行为,为此,建立了顶底软岩夹持下煤层开挖巷道的计算模型。选取各层岩体及煤体的强度、刚度、厚度参数以及埋深为影响因素,巷道顶底及两帮位移量为评价指标,设计了混合水平的正交数值试验。通过定义量化指数κ,以不同检验水平下的F统计量为标准,对各因素的影响显著程度进行了五个水平的量化分级,即:高度显著、显著、较显著、有影响和无影响。分析结果表明,在埋深一定时,煤层的刚度参数对巷道变形具有显著影响;在不同的因素水平组合下,围岩呈现顶板拉剪、底板拉剪、煤层拉剪等多种破坏形式,对进一步分析煤巷失稳破坏机理及巷道维护具有重要的参考价值。     

高地温作用下全长粘结式锚杆的荷载传递分析

为探究高地温对全长粘结式锚杆锚固的影响,借鉴前人推导所得全长粘结式锚杆应力分布的函数,引入锚固系统中材料参数的热变方程,建立全长粘结式锚杆弹性阶段含温度参数的力学模型。通过算例,总结出3种温度下(50℃、100℃、150℃)力学模型随温度变化的规律,并通过室内拉拔试验验证了温度对全长粘结式锚杆粘结性能的影响。结果表明:(1)温度升高,锚杆同一锚固点的轴力变大,轴力极大衰减段向内移动,峰值剪应力均减小,剪应力峰值点内移;(2)温度升高,模型1锚杆有效锚固长度从1.8 m扩大到2.8 m,峰值剪应力分别较50℃下降21%和34%,剪应力峰值点从0.44 m内移至0.79 m;(3)温度升高,全长粘结式锚杆峰值剪应力减小,锚杆荷载传递长度增加,传递效率降低。     

卵石地层地铁隧道近接施工位移特征研究

以北京地铁9号线某区间隧道近接既有铁路桥梁施工为背景,文章基于Hardening-soiJ本构模型采用三维数值计算与现场实测结果相对比的方式,研究卵石地层地铁隧道近接既有铁路桥施工的位移特征。研究得出的结论为:(1)卵石地层岩体较为松散,胶结性较差,围岩稳定性较低,可引入Hardening-soil模型模拟其应力-应变关系;(2)区间隧道开挖引发的竖向位移主要集中在隧道拱顶部位,并随着向地层深部的发展逐渐衰减;(3)地铁区间隧道施工引发的地表沉降可认为是两条单洞隧道地表沉降曲线的叠加,现场实测与数值计算得出的规律一致;(4)既有铁路桥结构最大位移值小于《铁路线路修理规则》的容许位移,现有开挖方式和支护参数满足既有结构安全运营条件;(5)地铁区间隧道开挖引发的地层、既有桥梁结构水平位移整体较小;(6)区间隧道开挖引起的土体扰动主要集中在隧道洞周5.4 m范围内。     

软弱地层下某隧道围岩及支护结构稳定性数值模拟研究

为研究在软弱地层下开挖单洞隧道时二次衬砌对隧道围岩稳定性的影响,文章以某单洞铁路隧道为依托,采取三维有限元软件对软弱地层下隧道施加二次衬砌后围岩稳定性进行了数值模拟分析,结果表明：(1)在施加二次衬砌后,地层的水平应力整体呈条带状分布,开挖扰动对地层水平应力的影响较小;(2)当施加二次衬砌后,单洞隧道围岩的应力集中程度显著减小,围岩的整体稳定性显著提高;(3)当施加二次衬砌后,隧道所处的地层整体变形量均显著减小,岩体表层的沉降量为0.04 mm,其沉降量可以忽略不计;(4)当隧道进行二次衬砌加固后,围岩的整体水平变形量均较小,满足相关的工程设计要求。     

采用三台阶工法开挖的原位扩建隧道现场监测及分析

为研究三台阶法施工对原位扩建隧道结构及邻近既有隧道扰动的影响规律,文章依托福建厦蓉高速公路后祠隧道原位扩建工程,分别对隧道围岩及支护结构应力、松动圈及应力场和邻近既有隧道爆破振动进行了现场监测。结果表明,断面各部位围岩及支护结构应力随时间推移而缓慢增加,最终趋于平稳,且每级台阶开挖均会对其产生扰动,表现为应力的突增;扩建后隧道围岩松动圈拱顶位于6~9 m深处,左右边墙均位于0~6 m深处,拱顶沉降位移大于两帮收敛位移。左边墙围岩应力大于右边墙围岩应力,洞周3 m深处围岩应力小于6 m深处围岩应力,开挖造成的围岩塑性区为3 m左右;施工中实际爆破振速大多小于设防标准,爆破对既有隧道的支护结构体系未造成重大破坏,最大爆破振速出现在监测断面前10 m左右的位置,与掌子面相比振速增长2.9%~4.5%,且围岩质量越好,峰值振速越大,最大峰值振速断面前方振速衰减速度远远小于后方振速衰减速度。     

结构面空间组合关系对隧道围岩稳定性影响研究

隧道围岩变形破坏与岩石强度、结构面空间组合关系、地下水和地应力等因素关系密切。为研究结构面空间组合关系对隧道围岩稳定性的影响,文章基于郑万铁路向家湾隧道工程地质条件,采用UDEC离散元软件对全断面开挖下的围岩稳定性进行数值模拟,重点分析了两组结构面的空间组合关系对结构面剪切滑移、围岩塑性破坏及位移的影响,同时根据开挖后围岩变形的差异——完好、掉块、塌方,定性统计整理得到了结构面空间组合对隧道开挖稳定性影响统计表,并给出了相应的施工建议。研究结果表明,隧道围岩变形破坏主要发生于结构面间距小于1.5 m,且J1倾角为45°～75°、J2倾角为103°～133°的空间组合条件下。     

暗挖交叠隧道地表沉降实测分析

北京地铁6号线北海北—南锣鼓巷区间隧道工程为北京地区首例暗挖交错重叠隧道工程,区间隧道从上下平行逐级过渡为左右平行,隧道开挖方式为先开挖右线隧道(下行隧道),再开挖左线隧道(上行隧道)。文章通过对该工程18个地表沉降监测断面实测数据进行分析,得出暗挖交错重叠隧道施工引起的地表变形规律。研究结果表明:(1)随着双线隧道角度的增加、距离的减少,地层沉降重叠效应显著增加,后建的左线隧道开挖对地表沉降影响也逐渐增加;(2)左线隧道施工改变了地表沉降槽的形式,使双线隧道地表最大沉降值的位置偏离右线隧道,沉降槽宽度增加;(3)既有结构的存在阻挡了地层变形的传递,减小了地表的变形,双线隧道的减小程度比单线隧道大;(4)采用深孔注浆的方式可以有效控制地表沉降,减少施工对周边环境的影响。研究成果可为同类工程地表变形控制提供参考。     

层状千枚岩隧道形变破坏规律与支护措施研究

千枚岩软弱结构面发育,岩体呈互层结构且风化严重。在类似层状岩体中开挖隧道,围岩将出现大变形,严重危及隧道施工安全。文章基于成兰铁路杨家坪隧道,建立宏观层理分布模型,对层状千枚岩隧道形变破坏规律与支护措施展开了相关研究。研究结果表明:岩层法向位移在洞周呈斜向"X"型分布,位移峰值位于隧道拱顶及边墙部位;岩层切向位移位于隧道两斜交45°方向呈"蝴蝶"状分布,位移峰值位于隧道的拱肩及拱脚部位,位移分布不对称性明显;隧道边墙附近围岩主要表现为层面间张拉破坏,隧道拱部附近围岩主要表现为层面间错动滑移破坏。基于以上分析结果,针对现场支护参数提出优化措施,并进行隧道变形及支护受力监测。现场监测结果表明:支护参数经调整后,对围岩形变控制效果明显,有效改善了隧道偏压受力现象。     

基于武当群片岩各向异性试验的隧道围岩变形机理分析

针对通省隧道拱顶出现纵向裂缝、拱肩钢拱架被剪断等变形破坏问题,文章考虑武当群片岩各向异性特点,基于波速试验、单轴压缩与三轴压缩试验,结合围岩变形特征调查与数值模拟试验,分析了武当群片岩试样应力-应变曲线特征与破坏形态特征,建立了弹性模量、泊松比、抗压强度随片理倾角从0°~45°~90°变化时的对应关系,提出了隧道围岩破坏模式,总结了隧道围岩变形机理。研究结果表明:武当群片岩各向异性在隧道围岩变形破坏过程中起到了控制性作用;非对称模式为隧道围岩主要破坏模式;当隧道围岩最大剪应力与片理空间关系不利时,围岩沿片理面发生剪切破坏。研究结果对武当群片岩区域在建或拟建地下工程的现场设计、施工开挖具有重要的指导意义。     

软弱隧道围岩锚杆支护效应的落门试验研究

在软弱围岩中进行隧道开挖,往往因岩体变形过分或局部应力集中而导致围岩失稳破坏,在实际工程中大多采用锚杆作早期支护。文章以Ⅳ级软弱围岩为参照对象,利用相似模型试验进行了锚杆支护条件下的隧道施工过程模拟,对开挖过程中围岩的渐进破坏特征、破坏模式以及锚杆的支护效应进行了研究。试验结果表明,隧道开挖将会在隧道周边形成一应力扰动区,而真正塌落成拱的只是该扰动区的一部分;由于有锚杆的支承作用,拱顶岩体的破坏呈分区破坏模式;岩体的破坏范围主要集中在隧道两侧与水平面成45°+φ/2的扇形区域内;在隧道开挖后,拱顶上方岩体的切向应力升高形成承载压力拱,主要位于距拱顶约1.0~1.25B处(B为隧道跨度)。     

隧道围岩沿结构面滑移判据及其影响因素分析

文章利用弹性力学方法,在连续性假设和Mohr-Coulomb滑移准则基础上,推导了圆形隧道围岩沿结构面滑移的判定条件,并预测了结构面不同内摩擦角情况下的围岩最小滑移区域。利用离散元数值方法对该判据进行了验证,结合不同内摩擦角下的结构面剪切位移,证明了该判据的合理性;确定了保持圆形隧道围岩稳定而不出现滑移所需的结构面最小极限内摩擦角的影响因素及其数学关系,其影响因素包括侧压力系数、结构面倾角、以及隧道圆心到结构面垂距,并分析了上述3个因素对结构面最小极限内摩擦角的影响规律。结果表明:侧压力系数和结构面倾角主要影响远离隧道部位为保持围岩稳定所需的结构面最小极限内摩擦角,而垂距只影响靠近隧道开挖边界部位结构面的最小极限内摩擦角,对超过2.5倍开挖半径的区域影响效果不明显。研究结果可对含结构面岩体中隧道加固提供参考。     

FLAC3D中锚杆拉剪断裂的实现与应用

隧道围岩大变形容易导致锚杆产生拉伸、剪切以及拉剪复合断裂。鉴于此,文章基于FLAC3D软件,对PILE结构单元的力学行为进行了修正,并通过二次开发FISH语言建立PILE单元断裂模拟数值模型;在此基础上,对层状岩体锚固系统中锚杆的断裂失效力学行为进行了分析。结果表明:(1)修正PILE单元得到的计算结果与室内试验结果吻合较好,且能较好地反映锚杆拉伸、剪切以及拉剪断裂力学特征;(2)层状岩体中锚杆断裂时,拉伸断裂锚杆在断裂前所承受的最大拉力达到其极限抗拉值;拉剪断裂锚杆在断裂前,其拉力及剪力最大值均小于相应的极限抗拉、抗剪值;(3)对于拉剪断裂锚杆而言,不考虑锚杆的剪切断裂会夸大锚杆的支护效果;对于拉伸断裂锚杆而言,不考虑锚杆的剪切断裂对锚杆支护效果的影响较小。     

节理岩体中TBM掘进施工围岩稳定性及可视化分析

节理岩体的地质赋存特征含岩体结构、原岩应力场和地下水三方面,由此产生诸如破碎带、大变形软岩、富水带等恶劣的工程地质条件。TBM在节理岩体中掘进受到岩体地质特征和工程地质条件的影响,同时也对岩体造成一定的扰动,可能将导致隧道围岩发生失稳。另外,地质勘探不到位、掘进机选型不当等因素也会导致或促进围岩发生失稳。TBM掘进围岩失稳的形式主要有开挖面失稳和洞周失稳,以及二者兼有的大型围岩失稳。为了更直观地观察TBM掘进围岩失稳,文章采用自主研发的块体理论分析软件BLKLAB对节理岩体进行三维可视化建模,模拟TBM隧道开挖,并根据块体理论计算分析得到了开挖面和洞周的可动块体和关键块体。     

大埋深、高地应力地下洞室群围岩破坏机理及应对措施研究

地下洞室开挖过程中,脆性围岩应力释放型破坏(岩爆、片帮掉块等)和结构面—应力型破坏(围岩松弛、喷层开裂、顶拱坍塌等)是洞室群围岩破坏常见的主要形式。文章以白鹤滩水电站左岸尾水连接管洞室群为研究对象,结合现场踏勘统计分析,基于500μm显微镜观察、室内岩石力学单轴压缩试验对围岩应力释放型破坏机理进行了研究,基于数值模拟、孔内摄像技术对围岩结构面—应力型破坏机理进行了研究,并分别提出了相应的应对措施。研究表明,完整性较好的脆性围岩(Ⅱ类)具有一定的塑性性能,洞室开挖卸荷后岩体易发生压剪破坏,产生与受力方向呈小夹角的破坏面,塑性势能沿破裂面释放,进而引起薄层掉块或岩爆现象;对于完整性较差的围岩(Ⅲ类),由于节理、错动带等裂隙的存在,多表现为岩性强度高、岩体强度低的性状。围岩微裂纹在高地应力作用下逐渐扩展连通,形成相互切割的结构面,并逐步向岩体深部不断发展,直至应力完全释放,受周边洞室爆破振动影响时易发生坍塌现象,破坏过程在宏观上表现为由表及里并具时效性的特点。     

复杂位移边界下地层空洞的稳定性分析

文章采用室内模型试验研究隧道开挖对粘性土层中赋存空洞的变形影响,地层中的赋存空洞的变形模式可分为径向收缩变形、椭圆化变形、竖向沉降变形和水平侧移变形4种及其不同组合。文章应用Airy应力函数法获得了复杂位移边界条件下空洞洞周应力场的精确解答,并根据剪切屈服条件求得地层变形引起的空洞周边塑性区范围,分析了不同变形方式对塑性区分布的影响。结果表明:空洞径向收缩使塑性区由左右两侧发展成闭合环形,且呈对称地向洞周45°斜上方围岩深部扩展;椭圆化变形加剧了空洞顶、底部地层塑性区的扩展;竖向沉降造成空洞顶、底部屈服范围向深部转移扩大;空洞水平侧移使塑性区逐渐向空洞另一侧转移并向围岩深部发展。因此,含空洞地层中城市隧道安全施工的核心问题是对空洞结构的稳定性控制。研究结果对城市隧道建设地层变形的精细化预测、地面塌陷事故预报具有重要意义。     

锚固系统对地震边坡动力响应的影响研究

文章利用有限差分程序FLAC2D6.0,从单元屈服状态和剪应变增量、应力场、动力稳定性等方面对比分析了自然边坡和锚固边坡在地震作用下的动力响应情况。结果表明：在地震作用下,土坡产生不可恢复的累积变形,其大小与输入的地震波峰值有关,而锚固边坡较自然边坡有更好的延性;锚固系统能在一定程度上限制坡顶拉破坏的产生和很好的控制坡脚剪切破坏的发展;锚杆轴力沿全长呈不均匀分布,且在滑移面附近变化幅度最大。