基于强度折减动力分析法的围岩稳定性研究

为获得隧道爆破开挖后围岩的稳定性及临界失稳破坏形态,文章以兴泉铁路金井隧道为工程依托,采用强度折减动力分析法原理,结合特征点位移是否突变、塑性区是否贯通、计算是否收敛这三种动力失稳判据,对隧道掌子面围岩进行动力安全系数分析,研究在不同开挖方法、不同开挖进尺、不同围岩等级下爆破对隧道整体安全系数的影响。研究结果表明:全断面爆破开挖的安全系数约为上下台阶开挖的0.96倍;开挖进尺越小,整体安全系数越大;围岩等级越高,爆破开挖下隧道掌子面围岩的稳定性越好;隧道爆破后毛洞安全系数均大于1.30。为了使隧道爆破开挖后围岩更加安全稳定,可以选取上下台阶爆破方法和减小开挖进尺的手段。     

有限元强度折减法在隧道施工稳定分析与控制中的应用

有限元强度折减法广泛应用于边坡等工程的稳定分析中,而在隧道工程稳定分析中的应用相对较少。文章将有限元强度折减法用于隧道施工稳定分析与控制中,提出基于围岩安全系数进行施工阶段围岩稳定性全过程的动态评价,并通过隧道洞周围岩变形规律的研究,建立施工阶段隧道监控量测的动态控制指标。通过算例分析可以看出,基于围岩安全系数可以定量、直观地掌握整个施工阶段围岩稳定性的动态演化规律;在满足初期支护施作后围岩稳定性要求的前提下,可以针对各个施工阶段建立相应的变形控制指标,从而克服以围岩容许位移作为隧道稳定性判断依据的局限性。通过有限元强度折减法在隧道施工稳定分析与控制中的应用,将为解决隧道施工安全问题提供新的途径。     

随机块体对泰山抽水蓄能电站地下厂房稳定性的影响分析

关键块体的稳定性决定着岩体地下洞室的整体稳定性,因此确定洞室围岩关键块体的位置、大小以及关键块体失稳模式对控制及预测洞室的安全性至关重要。泰山抽水蓄能电站地下厂房围岩受到不连续面切割,存在稳定性问题,故对其长期稳定性进行了深入研究。在获得研究区节理裂隙产状概率特征的基础上,采用赤平极射投影法确定该区地下厂房概率最大失效模式,搜索厂房区关键块体的位置,并对其长期稳定性进行分析预测,给出关键块体安全性的定量指标。同时将强度折减法与关键块体理论相结合,对地下厂房长期稳定性及风险进行了有效预测,研究成果可为泰山抽水蓄能电站后续加固方案的制定提供借鉴与依据。     

下穿立交结构的盾构隧道围岩安全评价的均值与非均值模型

隧道围岩稳定性评估是地下工程建设与维护所面临的重要课题之一。基于此,文章从材料特性角度分别建立均值和非均值数值模型,针对沈阳地铁2号线1标盾构隧道下穿立交结构的围岩安全稳定性进行评价。其中,均值模型侧重于分析围岩变形、应力变化和塑性区分布特征,并结合实测数据对其计算合理性进行验证;非均值模型侧重于围岩体细观破坏过程,采用具有残余强度的弹塑性损伤本构模型及其破坏单元材料性质退化方法,模拟隧道围岩强度折减下的渐进破坏过程及声发射规律,并计算出整体结构安全系数。同时,借助声发射(AE)规律,探讨了类似工况下隧道围岩破坏模式,可为类似工程实践提供参考依据。     

基于ABAQUS强度折减法的边坡稳定性影响因素分析

通过探讨有限元强度折减原理,提出强度折减理论在ABAQUS中的实现方法,对边坡稳定影响因素进行了分析研究。采用基于ABAQUS强度折减的方法,建立了计算模型,并与极限平衡法所得安全系数进行了对比。结果表明:采用ABAQUS强度折减法计算安全系数的方法是合理可行的;土体强度参数粘聚力和内摩擦角对边坡稳定性影响显著,剪胀角影响相对较小,弹性模量和泊松比无影响,但边坡塑性区分布受泊松比影响显著。结论对工程建设、边坡稳定性研究有一定的理论和实践意义。     

大跨度地下洞室集成化围岩分类体系构建及可视化程序实现

文章通过整合目前国内外常用的围岩分类方法,对各分类方法评价指标、评价标准进行了相关性分析研究,从内核建立了分类方法等效换算公式、经验性关联图表;且针对大跨度地下洞室工程扰动影响作用的显著特征,依据"有限性劣化"处理思路,提出了工程因素对围岩质量劣化效应的定量表示法,藉此构建了可反映工程因素影响的集成化围岩分类体系;应用VB.Net语言编制了"大跨度地下洞室集成化围岩分类体系(IRMCS)"可视化程序。该程序可实现"一次输入,多种分类方法评价结果输出";最后,以大岗山水电站主厂房顶拱厂横0-60~0+166m围岩为例,应用该程序对其围岩分类、稳定性结果、支护建议予以综合评价,分析结果与实际情况吻合度较好。     

基于遗传算法的地下洞室围岩力学参数反分析

围岩是地下洞室的主要承载结构,设计分析时采用的围岩力学参数是否合理直接影响计算结果的可靠性。文章结合某水电站引水隧洞工程,根据围岩监测数据,基于遗传算法,对ABAQUS商业软件进行二次开发,编写了遗传算法程序,对地下洞室围岩力学参数进行反分析,利用反分析得到的参数与工程设计采用的参数进行对比,分析讨论设计采用参数的合理性。结果表明,围岩参数反演值大于设计值,利用反演得到的参数进行计算,位移值小于初始参数的计算值,说明设计采用的参数取值偏安全。类似洞段的分析结果表明,文章采用的方法在类似工程的参数分析中具有很好的适用性。     

基于强度折减法的浅埋软弱围岩隧道掌子面稳定性研究

隧道掌子面稳定是隧道安全顺利施工的前提,文章以浅埋软弱围岩隧道为研究对象,首先,基于强度折减理论,建立了掌子面稳定性判别流程,可求解掌子面稳定安全系数;其次,分析了隧道掌子面失稳判据,认为掌子面稳定性判别时可采取位移突变判据或塑性应变能判据;最后,结合嘉禾园地下通道工程,研究了掌子面稳定性控制对策,运用掌子面稳定安全系数对单一方式和组合方式预加固措施的加固效果进行了预评价,确定了掌子面预加固方式,指导了现场施工。研究成果可为浅埋软弱围岩隧道掌子面稳定性分析及控制对策确定提供借鉴。     

引水隧洞破碎带超前固结灌浆效果分析

引水隧洞穿越富水区并含有断层软弱破碎岩层时,常常会发生坍塌及大变形。文章针对干河泵站地下引水隧洞的复杂地质环境,提出了三维渗流应力损伤耦合的计算方法和显含断层薄层单元的模拟方法,计算模拟了引水隧洞复杂地质条件下超前固结灌浆后的开挖支护过程,定量评价了不同工况下引水隧洞围岩整体相对稳定状态,分析对比了有无超前固结灌浆下围岩破坏区分布及洞周变形变化规律。结果表明:超前固结灌浆后的围岩破坏和洞周位移变化情况明显减小;洞周围岩总破坏体积减少了1 252.9 m3,降低了43.98%;而断层处洞周位移最大值减小了54.92%。超前固结灌浆对断层破碎岩体的整体稳定有显著地改善。     

基于工期目标的单跨四车道市政隧道施工优化研究

贵阳南垭路三号隧道为两座分离式的单跨四车道市政隧道,最大开挖跨度21.878 m,最大开挖面积为245.7 m^2,处于喀斯特地貌区,地下岩溶和岩石节理裂隙发育,围岩破碎且施工工期紧。基于以上施工背景,文章开展基于工期目标的软弱破碎围岩单跨四车道市政隧道施工优化研究。首先利用强度折减法对裸洞围岩稳定性进行定量评价,发现Ⅳ级围岩裸洞具有自稳条件,Ⅴ级围岩裸洞则不满足安全系数要求;在此基础上结合不同工法的施工模拟和工期推演,对施工方案进行优化,最终确定了南垭路三号隧道在Ⅳ级围岩地段采用三台阶五步法施工,Ⅴ级围岩地段采用双侧壁导坑法施工的方案;最后对洞身Ⅳ级、Ⅴ级围岩地段工法转换进行优化,将施工工期提前了9个月,创造了显著的经济和社会效益,研究成果可为今后类似工程的修建提供借鉴。     

某地下洞室群分步开挖支护的非连续变形分析

文章分别从岩体的分步支护以及相应的收敛准则两方面对已有的非连续变形分析程序进行了改进,并应用改进的程序分析了含有随机节理的某大型水电站地下洞室群的围岩稳定问题,着重研究了施工因素的影响,突出了对分步开挖支护过程的模拟计算分析,并且通过与实际工程监测值的比较,验证了该方法的有效性。通过围岩破坏区深度和关键点的位移比较了三大洞室(主厂房,主变室,尾调室)不同的开挖顺序对围岩稳定性的影响和重点支护的关键部位,并对支护方案进行了优化。研究结果表明,此工程中先开挖主厂房与尾调室,再开挖主变室为最优开挖顺序,并且尾水调压室为洞室群支护的关键部位,可以通过在关键位置增加锚索支护的方式改善其围岩的应力状态。     

爆破地震波作用下深埋圆形隧道围岩质点振动规律研究

开挖爆破产生的地震波会诱发邻近隧道的动力响应,并影响其安全和稳定。文章采用数值模拟方法,分析了爆破地震波中的P波与邻近圆形隧道的相互作用,研究了不同工况下围岩质点振动分布规律。计算结果表明,应力波通过圆洞时,围岩中质点的振动方向将在洞壁附近发生微小的偏转,同时将使洞壁附近围岩的质点振动速度大于或小于振源速度,具有显著的质点振动缩放效应。振动频率、隧道尺寸、围岩性质,以及波长-洞径比对其质点振动速度的缩放效应的影响都较为显著。     

楞古水电站地下厂房围岩分级研究

围岩分级是水电工程地下洞室设计和施工重点关注的问题,因此确定合理的围岩级别对工程设计和施工具有重要意义。文章依托楞古水电站地下厂房工程,采用HC分级、[BQ]分级、Q分级和RMR分级等方法对地下洞室围岩级别进行了研究并采用回归方法对各系统分值进行了相关性分析。结果表明:对大跨度地下洞室进行围岩分级时,同时采用HC、[BQ]、Q和RMR等分级方法进行围岩级别划分,更有利于确定合理的围岩综合分级;在岩体的块度、完整性受结构面控制时,HC分级与RMR分级结果吻合度更高。     

岩质隧道深浅埋划分方法及判别标准探讨

传统的深埋与浅埋隧道划分方法以普氏压力拱理论为基础,由于普氏理论的局限性,这种划分方法不尽合理。鉴于此,文章将有限元极限分析法应用于隧道深浅埋划分中,提出了隧道深浅埋划分的三条原则。对于Ⅳ级、Ⅴ级围岩的岩质隧道,根据隧道的破坏模式划分深埋与浅埋,破裂面贯通至地表即为浅埋隧道,破裂面没有贯通至地表即为深埋隧道,并利用有限元强度折减法求出浅埋隧道压力拱高度,以此作为深浅埋分界线;对于围岩等级高的岩质隧道,以无衬砌隧道稳定安全系数来划分深浅埋,安全系数大于等于1.5时为深埋隧道,安全系数小于1.5时还要根据破坏模式进行深浅埋判断。此外,深浅埋隧道划分还应考虑环境、施工、地质构造、不稳定块体等因素的影响,由此可能造成围岩整体塌落,形成松散压力。最后,文章建议对于深埋隧道可按弹塑性数值分析计算,而对浅埋隧道除按弹塑性数值分析外,还需按浅埋松散荷载依据荷载-结构模式分析,以确保安全。     

基于有限元强度折减法分析主应力方向对隧道稳定性的影响

以有限元强度折减法为基础,文章采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法研究了主应力方向对砂岩隧道稳定性的影响规律;数值模拟采用ABAQUS软件计算了直墙拱形隧道在不同主应力方向下的稳定系数和积分点上的塑性应变,计算结果与模型试验结果吻合较好。研究结果表明:有限元强度折减法能够很好地应用于隧道的稳定性分析;主应力方向对隧道的稳定性具有很大的影响;如果仅考虑主应力方向这单一因素对隧道整体稳定性的影响,当主应力方向与隧道断面夹角为45°时,隧道模型的整体抗压强度最低,稳定系数Fs最小,此时隧道稳定性最差。     

爆炸应力波在洞室围岩中的分布及洞库稳定性研究

文章采用模型试验和数值计算相结合的方法,对爆破应力波在下部已有洞库围岩内的传播及洞室的安全稳定性进行了研究,得到了爆炸波在洞室围岩体内的分布规律及拱顶的位移曲线。结果表明:压力峰值随着距爆点距离的增大而逐渐减小,通过爆心竖直测量线上的垂直压力峰值大于通过洞室形心水平线上对应位置处的压力峰值,水平测量线上测点的垂直压力峰值基本上大于水平压力峰值;正拱顶部位爆炸压力峰值小于衬砌材料的抗压强度,且拱顶没有产生不可恢复的永久位移,洞室是安全稳定的;交通隧道爆破施工时,应重点监测其下方洞室正拱顶及拱脚与侧墙顶部交接部位衬砌的动态反应。     

深埋引水隧洞软弱围岩支护结构受力特征研究

文章依托工程实例,针对深埋软弱围岩引水隧洞支护体系的受力特征,开展了现场试验研究,并基于强度折减理论和数值模拟分析,提出了一种计算软岩隧洞施工期间二次衬砌承载力及其强度安全系数的方法,对围岩和二次衬砌的稳定性进行了评估分析。研究表明:边墙部位锚杆发挥拉拔支护效应明显,根据锚杆中性点位置推测出的软弱围岩塑性区有不断发展和扩张的趋势;初期支护钢拱架架设后能立即发挥支护作用,给予围岩较大的支护力;采用该方法求出的二次衬砌在施工期间将参与承担12%的围岩释放荷载,墙脚应力集中部位的安全系数最小,二次衬砌承载特征的计算结论与二次衬砌接触压力的现场试验结论基本吻合。成果可为深埋软弱围岩条件下的隧洞修建提供一定参考。     

兰州地下轨道交通围岩热物理参数试验研究

地下轨道交通暖通空调系统的优化设计与地下轨道交通隧道围岩的热物理参数性质密切相关。文章以兰州地下轨道交通原状土样为研究对象,使用Hot Disk热常数分析仪探究了兰州地下轨道交通围岩的热物理性质。研究结果表明:兰州地下轨道交通围岩土样的导热系数随深度的增加而增加,深度13 m处的中砂层导热系数和热扩散系数最大,明显比其它深度处的黄土层和淤泥质土层的导热系数和热扩散系数大,而中砂层体积比热较小;围岩土样的导热系数随含水率增加呈线性增长,体积比热随含水率增加先降低后增高,热扩散系数随含水率增加先升高后缓慢降低。     

围岩节理面不利组合条件下隧道塌方的模糊安全评价

节理发育是隧道塌方事故发生的主要影响因素之一,文章针对节理面不利组合发育的围岩,分析了围岩塌方的影响因素,构建了节理面不利组合下围岩塌方安全评价指标体系;引入二级模糊综合评价模型,运用乘积标度法确定塌方安全评价指标体系的权重值,采用单值隶属函数确定指标体系定性的隶属度;基于评价模型,给出了节理面不利组合下围岩的塌方安全指标体系中二级指标的定性和定量分级标准。通过对丁家湾隧道进行塌方安全评价,并对评价模型进行验证分析,其结果与实际施工中的塌方概况大体相同,验证了模型的实用性和有效性。     

浙江温岭长屿硐天复杂钟形洞室群建模技术及稳定性分析

三维建模技术是采用Flac~(3D)进行大型不规则洞室群稳定性数值分析的关键,文章基于多软件耦合技术,综合采用AutoCAD、Surpac、Surfer、Matlab自编程序,仅依靠地形图、洞室底部中心坐标、洞室高度、洞室跨度等洞室结构主要参数,实现了复杂不规则洞室群的快速建模。同时采用16 m、8 m、4 m、2 m四种网格尺寸,对长624 m、宽480 m、高336 m且内部分布6个不规则洞室的地层模型进行了建模,在保证计算精度的前提下,2.5 h即完成了计算,大大提高了计算速度。计算与分析结果表明,本文所研究的洞室群处于稳定状态,但洞室底部围岩和中隔墙受力状态不利于稳定。为此,古人在开凿洞室过程中,采取了挖除洞室底部分围岩、在岩坑内蓄水、挖除中隔墙部分岩体等3项措施,以增强洞室结构稳定性。