考虑孔隙水压力的深埋隧道掌子面支护力上限分析

基于极限分析上限定理,建立了平动与转动相结合的深埋隧道掌子面破坏机制,通过对外力功率、孔隙水压力及内能耗散功率的计算,获得了该破坏模式下掌子面支护力上限解,并将掌子面支护力最优上限解转化为非线性规划的数学问题,借助MATLAB分析工具,分析了h/d值及不同深埋隧道内摩擦角φ对支护力上限解和掌子面稳定性的影响。     

土质地层圆形隧道均布支护反力上限有限元分析

应用适宜于岩土稳定性分析的六节点三角形单元极限分析上限有限元程序,详细分析了土质地层圆形隧道均布极限支护反力和失稳破坏问题,获得了不同埋深C、土体重度γ、内摩擦角φ、黏聚力c等综合因素影响下极限支护反力系数上限解图表及以塑性乘子表达的地层失稳破坏形态。研究结果表明:支护反力系数Nγ、Nc上限解与太沙基土压力理论解参数影响规律基本一致,且内摩擦角φ和隧道埋深C与直径D之比(C/D)对于隧道极限支护反力系数Nγ、Nc及地层破坏模式影响较明显。当φ较小时,隧道地层失稳破坏模式与太沙基土压力理论假定的破坏形态吻合较好;当φ较大时,上限有限元法获得破坏模式局限于隧道周边一定范围且呈现出明显"拱效应"现象。     

浅埋软弱围岩隧道掌子面失稳破坏模式研究

将浅埋隧道掌子面稳定性问题简化为二维平面问题,构造了更符合实际工况的隧道掌子面破坏模式。在此基础上,采用极限分析上限法得到浅埋隧道掌子面支护反力的目标函数,并建立了优化变量约束条件。利用Matlab编制计算程序进行优化求解,通过算例得到了不同边界条件下维持浅埋隧道掌子面稳定所需支护反力系数,解释了浅埋隧道掌子面失稳机理,并分析了影响掌子面失稳的主要因素。     

基于极限分析的复合地层浅埋隧道掌子面上限支护压力研究

合理确定掌子面支护压力是保证隧道正常施工及周边环境安全的关键。为探究浅埋隧道中不同复合程度下复杂地层支护力上限值变化规律,基于三维有限单元极限分析软件Optum G3,建立一种考虑不同泥岩比例的浅埋隧道掌子面极限支护压力上限解模型,并通过案例对比分析验证模型的有效性。基于此,进一步探讨不同泥岩复合比例下掌子面支护压力上限解及对应失稳模式,并进行参数敏感性分析,拟合得到对应的简化计算公式。结果表明:1)复合地层盾构隧道开挖过程中,泥岩比例低于50%时,掌子面支护力上限值增长平缓,大于该值后支护压力迅速上升; 2)复合地层掌子面破坏模式显著区别于均质土层,泥岩比例小于50%时,易失稳点出现在砂层与泥岩交界处,位置随泥岩比例的增加而上升,大于该值后出现在隧道中心位置并保持恒定; 3)极限支护压力上限解与隧道埋深比C/D、覆土内摩擦角φ及黏聚力c值呈正相关,且埋深比C/D越大,增长的幅度越大,当泥岩比例大于75%后,不同黏聚力下的极限支护力趋于接近。     

不同初始地应力条件下节理岩体隧道稳定性分析

围岩稳定性评价是隧道工程建设中最重要的内容,现有的稳定性判据多是针对均质岩石或土体而言的,尚缺少针对节理岩体隧道提出的判别指标。文章采用离散元数值模拟方法,以探索合理稳定性判据为目标,对不同地应力条件下节理岩体隧道的稳定性进行了深入研究。研究结果表明:(1)均匀应力场条件下,隧道围岩受拉屈服塑性区与节理张开区的分布相似,岩体节理滑移破坏区明显大于围岩塑性区和节理张开区;(2)侧向压力系数对围岩屈服区的影响较小,而对节理剪切滑移破坏区的影响却非常显著,因此以节理滑移破坏区作为节理岩体隧道稳定性的判别指标更加科学合理。     

浅埋砂卵石土层隧道掌子面主动稳定性上限分析

依托成都地铁17号线明光站—九江北站盾构法施工区间，通过极限分析上限法及PLAXIS有限元分析方法探究影响浅埋盾构隧道掌子面的影响因素，分析内摩擦角、隧道埋深、隧道断面直径及土体容重对掌子面主动稳定性的影响。研究表明:掌子面支护力随隧道埋深C、隧道断面直径D及土体容重γ的增大而增大，而随内摩擦角φ的增大而非线性减小，且内摩擦角对支护力的影响最为显著。     

不同倾角的破碎带对隧道围岩稳定性影响

针对工程中具有破碎带的隧道存在饱水的实际情况,基于流固耦合理论,利用有限差分法软件Flac,对含有破碎带的隧道围岩在饱水条件下的开挖稳定性进行分析。通过考虑流固耦合效应,得到不同倾角的破碎带在开挖前后的渗流场特性、主应力特性和塑性区特性等结果,并在此基础上分析了地下水的存在对隧道围岩稳定性的影响。研究结果表明:随着破碎带倾角的增大,使围岩加速破坏,塑性区的范围也逐渐扩展,说明形成不稳定围岩的区域也在扩大。通过渗水模型试验对存在破碎带的围岩在饱水情况下隧道失稳的过程进行演示,揭示围岩破坏的机理。研究成果可为富水地层条件下含破碎带的隧道工程开挖设计提供了理论参考。     

软弱围岩大断面隧道相向施工围岩稳定性分析与掌子面加固研究

相向施工的软弱围岩隧道临近贯通时,两开挖面的扰动区将会叠加,围岩应力及变形异常复杂,存在掌子面大变形和失稳问题。结合狮子垄隧道,采用数值手段分别对单向、相向施工时的隧道围岩应力与位移场进行研究,分析临近贯通时围岩的稳定性。结果表明,相向施工时,随着掌子面前方土体长度的减小,围岩塑性区明显增大,变形加剧,拱效应逐渐减弱,稳定性大大降低;两开挖面间存在极限距离,当2个掌子面距离小于该值时,围岩大范围临近塑性破坏,必须采取有效应对措施,方可保证隧道施工安全。在对掌子面加固、提高初支强度等措施效果分析的基础上,采用竹锚管注浆对狮子垄隧道贯通段掌子面进行加固,并提高初支强度,保证了该软弱围岩大断面隧道顺利安全贯通。     

基于强度折减法的掌子面稳定性上限分析

为了研究在强度折减法下的掌子面稳定性问题,基于极限分析上限定理,把切线法引入刚性块体的非线性破坏机制,同时结合强度折减理论,构建了掌子面安全系数上限解的目标函数。运用Matlab中的fmincon函数对目标函数进行优化,获得掌子面稳定安全系数的最小上限解,并研究了各参数对掌子面安全系数的影响。结果表明:隧道埋深越大其安全系数呈线性减小;随着土体容重的增加安全系数呈减小趋势。此外,掌子面的安全系数对非线性系数m的敏感性也不同,随着土体容重的增加,非线性系数m对掌子面稳定安全系数的影响减小。     

基于刚体平动运动单元上限有限元的毛洞隧道稳定性分析

针对毛洞隧道稳定性问题,利用自编刚体平动运动单元上限有限元程序进行计算分析,获得了失稳临界系数γD/c的上限解图表及相应的刚性运动块体破坏模式。结果表明:(1)失稳临界系数γD/c随土体内摩擦角ф的增大而增大,随隧道埋深与直径比H/D的增加而减小;不过,H/D对γD/c的影响并不显著,特别是对于内摩擦角较大的情况。(2)刚体平动运动单元上限有限元所得隧道刚性运动块体破坏模式大致具有两组交叉滑动面的特征;随着土体内摩擦角ф增大,隧道横向破坏范围明显收缩,刚性块体间的相互错动更加显著;H/D对破坏模式的形态影响不明显,当H/D增大时,隧道横向的破坏范围增加。     

陡坡条件下小净距隧道不同开挖顺序的安全性与破坏模式分析

基于有限元强度折减理论,考虑地表坡度变化以及小净距隧道不同的开挖顺序两大因素,通过对围岩发生极限破坏时的安全系数与塑性区进行分析,探究坡度变化条件下不同开挖顺序对隧道开挖安全性与破坏模式的影响。结果表明,随着坡度的增加,隧道不同开挖顺序下的安全系数越来越小,且先开挖浅埋侧的安全系数明显高于先开挖深埋侧;随着坡度的增加,浅埋洞单独开挖时隧道外侧竖向剪切破裂面发生小幅度偏转并出现与其近似垂直的向下贯通地表的破裂面,深埋洞单独开挖时隧道外侧竖向剪切破裂面发生小幅度偏转并逐渐消失,且将出现隧道外侧拱脚向地表坡脚发展的滑坡破裂面。     

坡顶超载情况下的土坡影响因素敏感性分析

为了研究超载对边坡稳定性的影响,基于强度折减法分别计算了不同内摩擦角、粘聚力、土体重度、坡角、坡高、超载宽度、超载离坡肩的距离、超载大小等8种影响因素作用下土坡超载时的稳定性系数。并通过数值模拟,分析了土坡超载的破坏机理,结果表明：坡顶超载时,内摩擦角对土坡稳定性的影响最为显著,而超载宽度的影响最小。自重作用下边坡土体和超载作用下的边坡土体由于其自身强度不足而失稳的破坏机制有所不同：自重作用下失稳时,塑性区一般从坡脚延伸到坡顶;而当坡顶有超载作用下失稳时,塑性区一般从超载作用区域下和坡脚处同时扩展延伸并贯通,最终导致破坏。     

预留核心土环向刻槽对隧道开挖的稳定性影响

软弱破碎围岩隧道开挖后,在初始应力作用下,围岩松动变形、掌子面失稳,易产生较大内空位移,导致拱顶坍塌、地表下沉等病害.针对软弱破碎固岩的力学特性,提出预留核心土环向刻槽开挖法,并结合工程实例,以散值分析的方法研究核心土对较岩隧道开挖的稳定性影响.利用FLAC3D软件模拟隧道在不同长度及半径核心土条件下的开挖过程,分析掌子面附件围岩的位移、应力及塑性区变化情况.研究表明,预留核心土能减少隧道开挖对软弱破碎围岩的扰动,极大改善掌子面的受力情况,约束掌子面及附件围岩位移,控制塑性变形;核心土的长度及半径影响其对围岩稳定性的作用效果,它们存在一个最合理值.     

小净距隧道围岩整体稳定性的下限分析

小净距隧道围岩的整体稳定性分析,目前分析研究比较少。运用边坡稳定性分析适用的强度折减原理进行评价小净距隧道围岩整体稳定性,以围岩塑性区贯通、位移突变或位移超过规范值与计算不收敛3种方法综合作为围岩失稳破坏的判据。通过计算分析可知在不同的折减系数下塑性区贯通基本与位移突变同步,且早于位移超过规范值及计算不收敛。塑性区贯通为围岩破坏失稳的必要非充分条件,故采用塑性区贯通作为强度折减法判据所得为围岩整体稳定性系数的下限解。利用塑性区贯通作为判据,得到戴峪岭2号小净距隧道围岩整体稳定系数下限值约为2．7,表明该隧道具有足够安全储能。     

大断面隧道穿越接触带施工稳定性分析

大断面隧道穿越接触带段施工过程中多发围岩失稳与支护开裂、大变形现象。以兰海高速马林隧道工程穿越不整合接触带段为背景,采用数值模拟手段,分析隧道跨度和隧道与接触带竖向距离变化对隧道稳定性的影响,结果表明:随着隧道跨度增大,隧道围岩塑性区与接触带塑性区越易发生联通,支护结构安全性会突然降低;接触带影响段可根据隧道稳定性变化程度划分为次要影响段和主要影响段,主要影响段的隧道设计、施工方案应开展专项研究工作。研究结果可为类似工程设计和施工提供依据和参考。     

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。     

大断面隧道开挖稳定性数值模拟分析

为了确保大断面隧道开挖的稳定性,采用数值模拟方法,以某大断面隧道开挖支护为例,通过介绍隧道地表沉降和塑性区来判断隧道的稳定性。隧道开挖支护后正上方沉降最大,向两侧沉降逐渐减小,地表沉降基本沿隧道中心左右对称,且呈现出抛物线形状;初次开挖时隧道外环周围出现小范围剪拉,随着与掌子面距离增大,塑性区范围不断扩大,且扩大位置主要发生在拱肩和拱脚部位;从塑性区分布可以看到,拱顶和拱底主要为剪拉屈服,其他部位主要为剪切屈服。     

软岩偏压隧道中夹岩施工扰动效应及控制技术研究

依托某实际工程,采用Abaqus建立三维数值分析模型,研究不同净距和坡度对软弱围岩偏压小净距隧道中夹岩围岩塑性区发展规律的影响,并研究中空注浆锚杆长度变化对中夹岩及隧道稳定性的影响,得到合理加固参数。结果表明:随着坡度和净距的变化,中夹岩柱塑性区的表现形式可分为塑性区中心贯通、塑性区边缘贯通和塑性区分离3种类型;塑性区中心贯通产生的围岩塑性变形要比塑性区边缘贯通和塑性区分离的围岩塑性变形严重得多;当净距小于10 m时,中夹岩柱处于塑性区贯通破坏状态,需要对中夹岩柱进行加固;基于锚杆长度变化对锚杆轴力及隧道位移的影响,锚杆长度取4 m较为合理,对于偏压小净距隧道,浅埋洞可以采用规范规定的同等级别下支护参数的较小值,深埋洞可以采用规范规定的同等级别下支护参数的较大值。     

富水全风化花岗岩地层隧道开挖稳定性分析

隧道穿越富水全风化花岗岩地层时，隧道开挖会引起地下水径流改变，洞内掌子面附近渗流会引起围岩中细颗粒物质流失，改变围岩土体的组成并降低其力学性能，影响围岩整体稳定性，极易诱发其失稳坍塌。基于室内三轴CD试验获取全风化花岗岩内摩擦角、粘聚力及抗剪强度等指标，采用强度折减法对隧道稳定性进行定量分析，并研究了降水措施对隧道稳定性的影响。研究结果表明：1)开挖后全风化花岗岩中细颗粒逐渐流失，引起干密度、粘聚力及内摩擦角降低，进而降低围岩抗剪强度及自稳性，诱发隧道失稳坍塌；2)隧道稳定性安全系数随着渗流导致围岩软化发展而减小，拱顶沉降及仰拱回弹变形则随之显著增加，开挖后塑性区范围逐渐增大，从拱脚向拱腰发展，并逐步向地表扩展；3)洞周采取降水措施可降低洞周含水率，能提高隧道开挖稳定性，可直接提高围岩的安全系数。     

开挖跨度对隧道围岩稳定性影响研究

通过建立有限元、离散元两种数值力学模型,开展开挖跨度对隧道围岩稳定性的影响规律研究。结果表明:在不考虑洞室形状影响的前提下,当围岩按连续介质假设,且开挖后仍处于弹性应力状态时,单纯增加隧道开挖跨度对围岩应力状态影响不大;但若开挖后进入弹塑性应力状态,则单纯加大开挖跨度会导致塑性区半径大幅度增加,影响围岩稳定。当围岩按非连续介质假定时,岩体失稳主要呈现节理面间剪切滑移。开挖跨度增大相当于隧道跨度与岩块的相对尺度增大,隧道关键块体失稳概率加大,对于相同产状节理岩体,关键块体出现部位相同;另一方面,跨度增大引起在隧道开挖的应力扰动区内遭遇节理的组数增加,组数越多,岩体越破碎,失稳概率越大,且失稳模式各有不同,增加了支护难度。