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.     

复杂条件下浅埋矩形隧道围岩压力的极限分析

针对浅埋矩形隧道,在孔隙水、地表荷载作用等复杂条件下,采用极限分析法推导了围岩压力的上限解表达式,并利用序列二次优化算法得到了围岩压力的上限解;通过对比分析,该计算方法可行,但围岩压力计算结果用于结构设计时应适当增大边墙下部侧向压力值。分析了各参数对浅埋矩形隧道围岩压力的影响,结果表明侧压力系数、粘聚力、内摩擦角、埋深、地表荷载及孔隙水压力系数对拱顶、边墙的围岩压力都有很大的影响,特别是在侧压力系数与孔隙水压力系数的影响下围岩压力的变化幅度非常大,预防支护力不足会引发垮塌事故,建议施工过程中针对不利地段做好支护措施与防排水处理。     

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。     

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。     

浅埋小净距公路隧道围岩压力分布规律

为了给小净距隧道设计和施工提供科学依据,并为完善中夹岩墙的加固方法奠定理论基础,首先通过对41座小净距隧道的双洞内侧围岩压力进行统计分析,研究了小净距隧道围岩压力的演化特点,分析了垂直围岩压力与单洞开挖宽度、埋深和净距的关系,讨论了双洞内侧侧压力系数与各工程地质参数之间的关系,并基于隧道实际滑裂面,建立了小净距隧道荷载计算模型,提出了小净距隧道围岩压力的计算方法,通过与实测数据及既有研究成果的对比,验证了该方法的合理性及普适性,并基于以上研究成果提出了小净距隧道围岩稳定性控制方法。研究结果表明：小净距隧道垂直围岩压力与水平压力发展趋势基本一致,水平压力发展速率明显大于垂直压力,稳定时间也较短;水平压力受双洞间的相互影响比垂直压力要大,在施工过程中应重点关注水平方向的应力发展;侧压力系数随净距增加而增大,但随埋深、内摩擦角和黏聚力的增加而减小,并普遍小于规范值;所提出的围岩压力计算式对于复杂小净距隧道具有较好的适应性,并能对施工过程中小净距隧道的围岩压力进行估算;小净距隧道围岩稳定性控制应从合适的施工方法、合理的支护设计以及实时的监控量测3个层面考虑,具体的控制对策应结合围岩条件和工程特点进行实施。     

非偏压与偏压条件下浅埋隧道围岩压力的极限分析

考虑非偏压和偏压2种情况,根据泰沙基法采用的破坏模式、《公路隧道设计规范》采用的破坏模式以及实际的工程经验,针对浅埋隧道构建了一种更接近于实际情况、更加合理的、新的破坏模式;采用极限分析上限法推导出这种新破坏模式下浅埋隧道围岩压力的理论公式,并把理论公式转化成一个求围岩压力最大值问题的计算模型;结合算例,利用Matlab软件,采用序列二次规划算法对计算模型进行优化求解,并把优化解与已有的研究成果及基于极限平衡法计算得到的结果进行对比分析.研究结果表明:针对浅埋隧道,基于这种新的破坏模式采用极限分析上限法所得到的结果与已有的研究成果及基于极限平衡法计算得到的结果基本一致.不仅说明了运用极限分析上限法来研究浅埋隧道围岩压力的可行性,也验证了浅埋非偏压隧道和浅埋偏压隧道新破坏模式的合理性.     

基于新奥法浅埋隧道的围岩压力计算方法

依据模型试验和数值模拟结果,总结浅埋隧道围岩渐进破坏特征,以此为依据,建立适用于新奥法浅埋隧道的围岩压力计算模型;经过理论推导,得到围岩压力表达式;算例经Matlab优化得到最优上限解,并与传统理论计算方法作对比分析。结果表明:该文方法计算结果合理,且更适用于新奥法浅埋隧道;适当提高隧道边墙支护刚度或尽早施作仰拱使支护结构闭合成环,有助于减小隧道顶板压力。     

软弱围岩浅埋小净距隧道合理净距影响因素探讨

考虑不同跨度、埋深、高度和初始地应力等条件对软弱围岩浅埋小净距隧道进行数值模拟,以中间岩柱塑性区是否贯通为判别标准,对小净距隧道合理净距影响因素进行分析。结果表明:小净距隧道合理净距随着隧道埋深加大而逐步增大,随围岩侧压力系数减小而增大,相同埋深、相同跨度的小净距隧道,其合理净距随隧道高度增大而增大,而偏压对合理净距的影响不明显,此外不同条件下的围岩初始应力场和重分布应力场的差异导致围岩破裂角改变,设计计算围岩压力也会随之改变,进行小净距隧道设计优化或变更时应当考虑这些因素的影响。     

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.     

深切割地形浅埋偏压隧道围岩压力的计算方法

公路隧道设计规范给出了浅埋偏压隧道围岩压力的计算方法,但有其适用条件。以规范方法为基础,首先推导出采用规范方法需满足的临界边缘宽度;然后通过假定挡土墙模型,推导出深切割地形浅埋偏压隧道浅埋侧侧压力的解析解;最后以张涿高速公路李家堡隧道为工程依托,结合现场围岩压力量测,将方法与规范方法的计算结果进行对比,发现方法比规范方法更接近实际。研究结果为类似工程的设计及施工提供参考价值,对现行规范进行有益的补充。     

单斜地层下小净距浅埋隧道围岩压力分析

JTG D70-2004《公路隧道设计规范》提供了偏压隧道围岩压力的计算方法,实际计算发现,在单斜地层条件下,计算围岩压力与现场实测围岩压力存在出入。文中通过对现场隧道顺层围岩的破坏特征分析,建立单斜地层下小净距浅埋隧道围岩压力计算模型,提出了单斜地层下小净距浅埋隧道围岩压力计算方法,并通过现场实测数据进行验证。     

机械化施工大断面高铁隧道围岩压力测试及分布特征研究

为了解机械化施工大断面隧道围岩压力的变化规律和分布特征,依托郑万高速铁路湖北段大型机械化施工隧道群,开展大量围岩压力现场监测,根据测试结果对Ⅳ级和Ⅴ级深埋条件下围岩压力变化规律和分布特征进行分析,并与规范荷载进行对比。结果表明： 1）围岩压力监测数据从21~27 d开始稳定; 2）实测围岩压力小于《铁路隧道设计规范》深埋隧道计算荷载; 3）Ⅳ级深埋条件下,侧压力系数为规范荷载侧压力系数的1.2~2.4倍; 4）Ⅴ级深埋条件下,侧压力系数为规范侧压力系数的0.86~1.43倍。     

隧道稳定性分析与设计方法讲座之一：隧道围岩压力理论进展与破坏机制研究

本文作为一个讲座对以往研究成果做一个综述,回顾了围岩压力理论的发展过程与隧道破坏机制研究的进展,通过模型试验与弹塑性有限元强度折减法,得出浅埋拱形隧道的破坏在拱顶,深埋隧道的破坏在侧壁的破坏机制,并可求出隧道围岩破裂面位置与形态。分析了矩形隧洞与拱形隧道破坏机制随埋深增加而变,矩形隧道可划分为浅埋顶部破坏阶段、深埋压力拱破坏阶段和深埋两侧破坏阶段3个阶段,而拱形隧道不存在压力拱破坏阶段。     

顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道安全系数研究

目前,大多数岩溶隧道围岩稳定性研究是基于Mohr-Coloumb线性破坏准则进行的,而Mohr-Coloumb破坏准则并不能较好地体现岩体的非线性破坏特征。文中利用有限差分软件FLAC~(3D)模拟岩溶地区深埋隧道的开挖过程,调用Hoek-Brown本构模型,得到Hoek-Brown非线性破坏准则作用下岩溶隧道围岩安全系数的数值解,并对不同参数作用下围岩安全系数的变化规律进行分析。结果表明,顶部存在隐伏溶洞的深埋隧道围岩安全系数随隧道支护力、围岩抗压强度、地质强度指标GSI及m_i的增大而增大,随溶腔压力的增大而减小。     

围岩侧向压力对隧道稳定性的影响研究

围岩侧压力是否对隧道稳定性产生影响,不同的理论有不同结论。轴比论观点认为,洞室形状一定时,竖向压力和水平方向的围岩压力比值和隧道洞室的稳定性密切相关。然而,有限元强度折减法计算结果则表明,泊松比(对应不同侧压力系数)与隧道的安全系数大小无关。显然,这一结论与轴比论不符,也与实际不符。以某扁平隧道作为算例,采用改进的强度折减法计算不同泊松比对应的破坏形态及安全系数,计算结果表明:泊松比对隧道的破坏形态及安全性有影响,侧压力越大,则越容易发生边墙破坏;侧向压力越小,则越容易发生拱部破坏。     

非均匀收敛条件下浅埋隧道围岩的弹性解

隧道稳定性分析主要考虑隧道开挖中围岩的应力及位移,对于浅埋隧道,由于上下边界的不对称,稳定性分析存在较大困难。目前众多隧道稳定性计算方法都基于隧道深埋假设,针对一般浅埋隧道的分析多停留在经验总结及数值模拟等方法上或未深入分析浅埋隧道失稳破坏机制。文中开展浅埋隧道围岩弹性研究,基于隧道在无限空间下的弹性解,运用镜像法,考虑隧道周边非均匀收敛情况,得到非均匀收敛条件下浅埋隧道的弹性解。     

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。     

浅埋大断面公路隧道围岩竖向压力对比分析研究

本文依托于宝鸡坪坎至汉中(石门)高速公路PH-9合同段的一座分离式双向六车道某隧道,采用全土柱理论、谢家烋公式、太沙基公式、比尔鲍曼公式四种围岩压力计算方法进行理论分析比较,得出浅埋大断面隧道围岩压力主要影响因素为埋深和跨度。同时对埋深为7m和20m情况下,运用数值模拟对浅埋大断面隧道围岩压力进行计算分析,并与四种理论计算结果进行了比较,得出埋深小于荷载等效高度hq时,采用全土柱理论计算方法;埋深处于h_q~2.5h_q时采用太沙基公式计算方法。为今后同类浅埋大断面隧道围岩压力计算方法的选取提供了一定的参考价值。     

软岩浅埋隧道施工对地表及围岩变形的影响分析

浅埋隧道开挖对周围环境的影响值得关注，基于重庆武隆隧道穿越厂房基础引起地表变形的工程背景，简化为平面应变模型，采用两种不同的计算方法对隧道施工进行了数值模拟分析，目的是研究不同软岩隧道开挖方式对地表变形及围岩受力情况的影响。通过支护与不支护两种工况的对比计算，结果表明，对浅埋隧道实施强支护、短开挖，并加强关键部位的加固，可有效减小隧道开挖对周围环境造成的影响。     

软弱地质小净距隧道围岩压力计算方法及受力特征研究

为研究软弱地质小净距隧道围岩压力计算方法及不同隧道净距和埋深对围岩压力的影响规律,引用三塌落拱理论,确立深浅埋隧道分界深度,基于公路隧道设计规范,建立隧道荷载计算模型,推导出围岩压力理论计算公式,并讨论不同的隧道净距和埋深对隧道内外侧围岩压力的影响规律。最后,结合工程实例,针对受力薄弱的中夹岩柱部位提出有效的加固措施。结论如下:1)极浅埋和浅埋小净距隧道围岩压力采用规范法中的全土柱和谢家烋理论公式,深埋隧道采用修正后的比尔鲍曼计算方法更为安全合理;2)小净距隧道施工过程偏压特性显著,围岩压力与埋深近似呈线性关系;3)左右洞室施工相互影响随净距增大而呈现减弱趋势,当净距大于1倍洞跨时,围岩压力可按单洞计算;4)中夹岩柱是软弱地质小净距隧道受力的关键、薄弱部位,采用中空注浆锚杆并合理确定锚杆长度,能有效抑制中夹岩柱塑性应变发展,提高围岩抗拉及抗剪强度。