考虑渗流影响的深埋隧道围岩-衬砌相互作用研究

山岭地区深埋隧道经常处于高水压工况,渗流对于隧道围岩及衬砌结构安全有较大影响。基于Mohr-Coulomb准则,推导在渗流力作用下围岩和衬砌结构相互作用的弹塑性解析解,得到围岩塑性区半径、围岩应力、位移以及衬砌径向变形等与支护反力间的解析关系。进一步地,引入围岩收敛曲线(GRC)和支护特性曲线(SCC),分析隧道围岩和衬砌的非线性力学特性,采用收敛约束法求得洞周径向位移。依托牛和岭隧道深埋段工程,验证本文基于Mohr-Coulomb准则的理论解析方法的准确性,并针对富水山区隧道支护反力、塑性半径和洞周径向位移关系进行参数分析。研究结果表明:1)增加支护反力可以有效地限制塑性区的发展和洞周的径向位移,初始阶段限制效果明显,后续增加支护反力的效果逐渐减小;2)围岩塑性半径和洞周径向位移随渗流水压力的增大呈非线性增长;3)塑性区半径不变,低渗透性衬砌可以减小所需的支护反力以及洞周的径向位移。     

基于无网格算法对隧道围岩弹塑性分析

通过引入广义粒子动力学数值法模拟隧道围岩的弹塑性变形特征,应用于隧道围岩模型结构分析中,确定隧道围岩不同侧压系数下的塑性区和应力场。研究结果表明:随水平应力的提高,隧道围岩塑性区从两帮朝顶部和底部方向转移。当λ2.0时,随水平应力提高,顶部和底部塑性区宽度开始增加,当λ2.0时,塑性区从顶底部向两肩和底角区域扩展,导致隧道稳定性突降;随洞壁距离的增加,隧道切向应力表现出一个先递增后下降的变化趋势,径向应力呈现出逐级递增,并在不同洞壁距离处获得原岩应力状态;隧道顶板和边墙水平位移随着λ的增大而不断增大,在λ1.0情况下,顶底板总位移相较于隧道围岩边墙位移要大;当λ1.0时,边墙总位移较围岩顶底板位移大;在剪胀角增加的过程中,塑性变形区也在不断的增加,围岩承载力也获得了一定幅度的增加。     

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。     

隧道软弱围岩的卸荷特征与大变形控制研究

隧道软弱围岩大变形往往表现出时效性的流变变形特征,对此特征提出了一种环状间隔式衬砌与主动性卸载相结合的永久性支护理念。在合理的简化下建立了隧道衬砌段与非衬砌段的隧道力学分析模型,并在围岩常用蠕变模型、Mohr-Coulomb强度准则和非关联塑性流动法则基础上,对支护段围岩进行黏弹塑性求解,得到了围岩的黏弹塑性变形位移解。在参考现有围岩应力释放模型并确定无支护段围岩应力释放系数之后,对无支护隧道段围岩进行求解,得到了围岩的黏弹塑性变形位移表达式,建立了未支护洞段围岩位移与支护洞段围岩压力的关系。算例分析表明,理论分析与实际工程中围岩的应力和位移的变化是相吻合的。     

考虑围岩应力释放效应的岩爆滞后性模拟研究

现有岩爆判据可用于宏观上把握岩爆发生可能性,但对其所特有的滞后性现象机制研究不足。自围岩应力释放角度出发,利用数值模拟工具,研究分析岩爆滞后性特征。对不同应力释放率下围岩弹、塑性应变能分布特征以及围岩破坏区范围及特征进行分析研究。结果表明： 1）应力释放率与弹性模量之间呈指数关系,应力释放率较低时,围岩主要为弹性变形。2）随着释放率的逐步提高,洞壁围岩出现塑性屈服区,且弹性应变能与塑性应变能密度之间发生调整,并最终于洞壁一定深度处形成弹性能量集中区。3）应力释放率不同时,洞室围岩塑性区范围不同,且随着应力释放率的逐步提高,屈服状态自剪切屈服向剪切与张拉屈服并重转变,不同应力释放率下岩爆等级不同。研究结果对于认识岩爆滞后性现象具有一定的作用。     

基于损伤扩容理论的圆形隧洞围岩松动圈位移计算方法

为解决传统弹塑性力学理论在计算时未考虑实际围岩卸载时的扩容效应导致的位移设计值预测误差较大的问题，通过考虑不同应力状态下围岩损伤扩容系数的不同，建立圆形隧洞开挖松弛位移的分层总和法理论计算方法，提出以洞壁处围岩损伤扩容状态为控制值的围岩开挖位移预警值计算方法。结合分水江引水隧洞工程实例，对不同围岩级别、不同埋深、洞壁围岩的不同扩容效应（即不同支护状态）时圆形隧洞开挖后洞壁围岩位移变化规律进行分析，提出以圆形隧洞为基础的围岩预警值理论计算经验公式。由实际应用结果表明： 考虑扩容效应的围压位移分层总和法计算值比弹塑性理论计算值大3倍以上，计算结果更符合实际情况。     

基于FLAC3D的高填方路堤施工期变形分析

鉴于高填方路堤对地基承载力要求高且在填筑过程中易发生大规模沉降,采用FLAC3D对高路堤施工期的路基中心处竖向沉降和路基坡脚处水平侧向位移进行模拟,分析了影响高路堤施工期变形的主要因素。结果表明,路堤中心处沉降量、坡脚侧向位移都随路堤土高度和重度的增加而增大;但随着路堤土弹性模量的增大,路堤中心处沉降量逐渐减小,而坡脚侧向位移逐渐增大,且二者随模量变化的趋势并不显著。     

蒙华铁路阳城隧道土砂分界地层分界面位置对围岩稳定性影响探究

为了解决隧道穿越土砂分界地层的围岩稳定性问题,以蒙华铁路阳城隧道为研究对象,采用现场试验、室内试验及数值试验等研究方法对土砂分界地层围岩稳定性进行探究,重点探讨地层种类及其厚度变化对围岩变形、塑性区扩展及支护结构受力的影响。结果表明： 1）相对单一地层,土砂分界地层会影响洞周应力分布,分界面处围岩容易先出现塑性区,且土砂分界地层围岩变形性质与软弱的全砂岩地层更为接近; 2）在土砂分界地层分界面处会产生较大的水平收敛,易出现拉应力; 3）土砂分界地层中,随着砂层所占比例的增大,拱顶沉降和洞周收敛不断增大,且分界面所在台阶处支护结构的应力发展会提前达到更高的峰值; 4）当分界面出现在上台阶时,围岩会产生极大的塑性变形,支护结构承受相对较大的应力,是土砂分界地层中最不利的分界情形。     

围岩力学参数对小净距隧道初期支护受力影响的研究

以青岛地铁8号线胶州湾海底隧道工程为依托，研究各围岩力学参数在小净距隧道开挖过程中的重要程度。根据控制变量法选取了弹性模量，泊松比，黏聚力和内摩擦角进行数值模拟研究。运用三维有限差分模型，对泵站施工进行了模拟计算。结果表明:两侧隧道的最大主应力和周边位移随泊松比的增大而增大，随弹性模量等参数的增大而减小；隧道结构力学响应对内摩擦角的变化最敏感，对于应力方面，泊松比变化最不敏感；对于侧面竖向位移方面，黏聚力最不敏感。     

坑道超挖回填材料对衬砌受力和变形影响分析

坑道施工中,超挖回填材料性能对衬砌的受力分布有较大影响。基于FLAC 3D有限差分数值计算软件,模拟坑道开挖施工,通过改变回填层的弹性模量和厚度,分析了不同回填介质对衬砌结构弯矩和位移的影响,并比较了不同围岩级别对衬砌结构的弯矩影响。计算结果表明： 1）拱顶、侧墙和底板的最大弯矩随弹性模量的增大而减小,弯矩开始降幅较大,但最终趋于平缓;拱顶、侧墙和底板的最大弯矩随回填层厚度的增大而增大,几乎成线性增加。2）拱顶和底板的最大位移随弹性模量的增大而增大,侧墙反之;拱顶和侧墙的最大位移随回填层厚度的增大而增大,底板则基本保持不变。     

富水断层带隧道突水临界安全厚度预测公式研究

为预防富水断层带隧道突涌灾害,需要确定隧道突水临界安全厚度。采用数值模拟和工程验证的方法,建立考虑围岩力学和渗流参数、隧道参数和断层带参数的数值模型,并在标准工况基础上进行各因素的多水平数值试验,分析各因素对临界安全厚度的影响规律,基于多元线性回归分析建立多因素预测公式,通过6个工程实例对公式进行验证。研究结果表明:断层带围岩参数(泊松比、渗透系数和孔隙比)及普通围岩泊松比对临界安全厚度影响较小,水压、埋深、断层带厚度、隧道洞径、断层带围岩弹性模量、普通围岩参数(弹性模量和孔隙比)与临界安全厚度正相关,断层带走向及倾角、普通围岩参数(重度、内摩擦角、黏聚力和孔隙比)和断层带围岩参数(重度、内摩擦角和黏聚力)与临界安全厚度负相关;预测公式与数值模拟结果相差较小,预测公式计算结果与工程实际较符合,具有一定的工程参考价值。     

隧道穿越断层破碎带施工过程围岩位移特征研究

以试刀山隧道改扩建工程为依托,选取软弱破碎带围岩段,通过三维数值模拟对隧道动态施工全过程进行弹塑性计算分析,选取该区域内某一特定横断面,主要围绕断面各监测点围岩位移随动态施工的变化特征和数值大小进行初步研究和分析。通过对计算结果分析归纳得出:从纵断面上看,对其拱顶沉降及拱底回弹影响最大的是前后6 m范围内的掌子面施工,约占总位移量的60%;对指定断面拱腰水平位移影响较大的是指定断面前后3 m范围内的掌子面施工,约占总位移量的60%~70%;从横断面上看,上台阶开挖所引起的指定断面拱顶沉降大于下部台阶开挖的影响,隧道施工对围岩塑性区的影响主要集中在洞壁外3~4m范围。此外,该数值模拟的分析结果对于该段隧道的施工监测具有一定的指导意义。     

沙湾特长隧道软弱破碎千枚岩围岩参数敏感性分析与反演研究

为解决甘肃渭武土建试验2标沙湾特长隧道围岩软弱破碎、遇水软化以及强度低等使得围岩力学参数难以准确确定的难题,采用ABAQUS数值计算和正交设计方法进行参数敏感性分析,确定各参数对围岩变形的影响程度。基于粒子群优化的BP神经网络算法建立PSO-BP参数反演分析方法,并编制反分析程序。根据反演的参数进行数值模拟,分析围岩和支护结构位移、应力及塑性区分布情况。研究结果表明： 沙湾隧道围岩位移影响因素重要性依次为黏聚力c、泊松比μ、内摩擦角φ、弹性模量E;PSO-BP参数反演分析方法是一种有效的反分析方法,具有较高的精度。     

断面形状对隧洞围岩位移和应力的影响分析

采用FLAC3D软件分析了圆形断面、矩形断面、直墙式断面和曲墙式断面形状隧道开挖在III级围岩中的位移和应力集中分布规律。圆形断面隧洞围岩位移最小,应力集中系数最小,塑性区厚度最小,应力集中系数最大点距洞面的距离最大,即支护结构受到的围岩压力最小;与圆形断面隧洞相比,曲墙式隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区仅次于圆形隧洞,曲墙式断面是合理的隧洞断面形式;矩形隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区最大;直墙式隧洞围岩位移、应力集中程度和塑性区仅比矩形隧道略小,与矩形一样,直墙式断面是不利的隧洞断面形式。     

软岩隧道超前导洞应力释放力学机制及适用性

为研究软岩隧道超前导洞的适用性，基于经典弹塑性理论，建立深埋软岩隧道超前导洞法开挖应力释放的力学模型，采用2阶段的方法推导考虑超前导洞应力释放的隧道开挖弹塑性解。定义围岩应力释放比来反映应力释放的效果，并研究不同地应力、围岩弹性模量、强度等条件下超前导洞开挖半径对应力释放效果的影响。结果表明： 通过施作超前导洞可以降低作用在支护结构上的围岩压力，尤其是在高地应力环境或围岩较软弱的条件下，采用超前导洞法进行应力释放效果更加明显。但导洞半径并非越大越好，现场试验表明： 对于3车道大断面软岩隧道，导洞断面太大对隧道围岩的稳定不利。隧道施工中，应在保障围岩稳定的前提下进行应力释放，做到初期支护尽早封闭成环，实现隧道安全快速施工。     

考虑围岩应变强化及扩容的深埋软岩隧洞时变位移解

为描述深埋软岩隧洞围岩时变位移受岩石应变强化与扩容协同影响的复杂力学过程,假设岩体为符合Burgers体与Drucker-Prager屈服准则组合的黏弹塑性模型,在考虑应变强化及扩容效应影响的初始应力场下,推导得到深埋软岩隧洞的黏弹塑性时变位移解析解并进行分析。结果表明:该解析解能较好地描述软岩隧洞蠕变位移受岩体应变强化和扩容的影响。随着幂强化指数或剪胀角的增大,隧洞围岩的时效变形逐渐增大,且发展变快。隧洞围岩在应变强化和扩容效应的共同影响下,幂强化指数与剪胀角越大,其位移越敏感,且幂强化指数对围岩位移的敏感性更高。为验证该解析解的实用价值,与工程实测数据进行对比,结果显示计算值与实测值吻合较好,表明该解析解对深埋软岩隧洞时变位移预测具有一定的借鉴意义。     

考虑应变软化的隧道围岩稳定性分析

本文论述了在静水压力作用下，园形隧道围岩的弹塑性变形理论，并推导出相应的求解公式，对应变软化的隧道围岩应力场，位移场和塑性半径进行解析分析。     

基于流固耦合理论的海底隧道围岩力学特性分析

采用理想弹塑性本构模型,在海水渗流的情况下,基于流固耦合理论,给出了海底隧道围岩应力、位移分布的解析解以及塑性区范围,并利用有限差分FLAC2D软件中流固耦合分析模块对海底隧道围岩进行力学分析,与理论推导的结果进行了对比,证明了理论推导的正确性,同时探讨了海底隧道开挖渗流机制和孔隙水压力场分布特征。理论分析了不同支护阻力下的围岩应力重分布规律以及海水压力、上覆岩层厚度对围岩力学特性的影响。该结果可对富水地层条件下的海底隧道工程开挖设计提供一定的理论参考。     

极软岩隧道横洞开挖空间力学效应研究

为研究极软岩隧道车行横洞交叉段施工力学特性,以大梁山特长公路隧道V级极软围岩段为依托,采用现场试验结合数值模拟试验分析其空间效应。研究断面现场监测结果表明:6个断面在深度为1 m、2m和3 m处内部围岩位移受横洞开挖影响较小,可忽略不计。拱腰和拱脚处钢支撑内力在横洞开挖后小幅增大,影响区集中于拱腰及以下部位,对拱顶部位影响较小。远离横洞侧拱脚、拱腰及拱顶处围岩压力与层间压力所受开挖影响很小,而近横洞侧拱腰处影响相对较大,在施工中应值得注意。数值试验结果表明,混凝土应力受横洞开挖影响主要表现为压应力增大,产生压应力增大区;围岩塑性区在开挖前有一定程度增大和区域改变,锚杆轴应力施工前后变化不大。     

软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差,易发生大的变形、钢架扭曲等现象。为降低安全风险,依托郑万高铁高家坪隧道进口机械化全断面爆破施工,对支护体系下的围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力、锚杆轴力、围岩内部位移、掌子面挤出变形等进行系统试验研究。试验结果表明： 围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力受岩性条件、施工扰动等因素影响显著,随时间推移均呈现“急剧增大、缓慢增大、波动变化、稳定收敛”的变化规律; 通过锚杆轴力峰值位置可以初步判定围岩塑性区范围约为距洞壁3.0 m。基于现场试验监测,通过数值模拟分析了初期支护结构压应力、轴力和弯矩的分布情况,与现场量测数据相符,较好地反映了初期支护受力特征。本次试验的相关方法、手段和结论对隧道机械化大断面施工软弱围岩变形与支护体系受力研究具有借鉴作用,同时也为建立科学合理的支护结构体系提供了参考。