隧道拱顶沉降及周边收敛动态过程预测的Richards时间函数模型

隧道围岩变形(拱顶沉降、周边收敛)一直是岩土工程中的热门问题。针对传统的曲线预测模型存在的不足,提出含有4个参数的增长曲线模型-Richards模型。对隧道开挖造成的围岩拱顶沉降及周边收敛的动态过程进行分析,得出掌子面后方围岩变形过程的3个阶段,将此作为依据,获取变形(拱顶沉降、周边收敛)—时间曲线的基本特征,表明围岩沉降及收敛过程是一个先加速后减速的过程,且相应的速度-时间曲线的起点为零,终点也为零。因此,能描述围岩变形过程的时间函数模型可较好地拟合其位移-时间曲线,也能拟合速度-时间曲线。最后通过工程实例验证了Richards时间函数模型的合理性,发现所提出的模型对拱顶沉降及周边收敛的预测结果精度高,具有一定的参考和使用价值。     

基于改进灰色理论模型的隧道围岩变形预测

应用灰色预测理论方法建立隧道围岩位移预测模型,给出了灰色预测理论的计算步骤和方法,并在此基础上预测得出隧道施工过程中掌子面前方一定范围内的围岩变形值。以武靖高速公路绥通隧道为试验对象,对比分析了预测值、实测值之间位移-时间曲线的关系,并对以上二个值进行交叉验证。验证结果表明,此模型能较好地体现围岩的应力应变变化规律,对位移值的预测精度能满足规范要求,在实际隧道工程围岩稳定性预测中比其它方法具有更大的适用范围。     

隧道洞口围岩稳定型变形的非线性回归分析

通过对隧道洞口围岩变形监控量测数据的分析,得到地表沉降、拱顶下沉、周边位移的变形曲线具有明显的阶段特征;同时对变形曲线进行非线性回归分析,得到围岩变形“增长模型”的非线性回归方程,对预测预报围岩变形规律和最终变形、提高隧道信息化施工水平提供基础和依据。     

膨胀土隧道围岩长期变形预测与控制研究

膨胀土的变形影响路基、边坡、隧道围岩,导致工程病害,因此预测其变形规律非常重要。本文建立了一种能预测隧道长期变形的模型,包含流变性和含水率等因素,能较好的预测围岩变形和隧道病害,计算发现在隧道施工阶段变形占30%,在运营阶段变形占70%,变形较慢、时间周期较长,因此在隧道支护时,增设橡胶混凝土层的组合结构能有效地减小支护内力非常有利。     

基于Richards-BP模型的地表沉降特征预测模型研究

地下开采引起的地表沉降大致呈S形发展,最终趋于稳定状态,这能够运用生长曲线Richards函数进行预测分析。同时,又因为测量和外界存在不确定性和随机性,使得地表沉降也具有动态的特征。针对地下岩矿开采矿区地表沉降曲线与Richards预测模型曲线的相似性,分析了Richards模型在地表沉降预测中的适用性,提出通过Richards生长曲线模型预测矿区地表沉降的趋势性变形部分,利用BP神经网络模型降低地表沉降的随机性影响部分,提高模型预测效果。计算结果证明了其在地表沉降预测中的适用性和可行性。     

RBF神经网络在隧道围岩变形预测中的应用

在预测隧道围岩变形的过程中,运用神经网络的方法,建立非线性的预测模型,结合张涿高速公路林里隧道的变形实测数据,借助MATLAB 7.1平台,模拟了隧道围岩的变形过程;实验结果表明：RBF神经网络方法在隧道围岩变形的预测中,具有运算速度快,预测精度高,模型稳定可靠的特点,在隧道施工过程中,能够有效的辅助施工控制,提供预测报告。     

基于灰色预测方法的隧道大变形预警技术研究

围岩和支护措施的大变形以及由大变形引起的塌方,是隧道开挖后的主要灾害之一。介绍了利用改进的灰色模型,预测和分析围岩位移的发展趋势、变形规律的方法,根据工作经验将围岩位移失稳预警分为了三个级别并进行了详细的定义,在实际工程应用中取得了较好的效果。     

隧道施工引起地表变形预测的半解析法

基于弹性力学Mindlin解,假定隧道围岩为均质弹性体,给出了用于预测隧道施工引起地表变形的半解析法。该方法是采用三点勒让德-高斯求积法利用点荷载下的Mindlin位移解,推导了均质弹性地层中隧道开挖施工引起地表变形的半解析计算公式,可以模拟并预测隧道开挖面不同支护方式引起的地表变形。通过对地铁隧道工程的实例分析并与Verruijt方法计算出的地表变形比较分析,结果表明：用该方法计算出的地表变形预测值与实际沉降曲线较吻合,较用Verruijt方法计算出的结果更精确。     

基于灰色预测方法的隧道大变形预警技术研究

围岩和支护措施的大变形以及由大变形引起的塌方,是隧道开挖后的主要灾害之一.介绍了利用改进的灰色模型,预测和分析围岩位移的发展趋势、变形规律的方法,根据工作经验将围岩位移失稳预警分为了三个级别并进行了详细的定义,在实际工程应用中取得了较好的效果.     

非等时序灰色模型的隧道变形预测研究

为提高灰色系统模型对非等时距隧道变形预测的预测精度，运用非等时距GM（1，1）模型对隧道围岩变形进行预测，利用Matlab7．1平台编写了隧道围压变形预测程序，结合张涿高速隧道围岩收敛变形实测数据，进行了变形预测及误差分析，结果表明预测值与实测值比较吻合，非等时距GM（1，1）模型可以应用于施工进度指导及安全系数评判。     

内蒙地区黄土隧道大变形控制研究

以内蒙地区窑沟黄土隧道为工程依托,通过对施工过程中该隧道围岩变形的监控量测,了解隧道开挖过程中黄土隧道围岩变形的规律:拱部沉降的量值远大于净空收敛的量值,进而明确黄土隧道大变形的控制应以拱部沉降为主。运用有限元分析确定黄土隧道施工过程中控制隧道大变形的途径:初期支护的及时跟进能显著降低黄土隧道围岩的变形;桩处理隧道黄土地基可以有效地降低围岩变形;系统锚杆的施作对围岩变形基本没有影响。     

阳城隧道土砂分界地层隧道围岩变形特征及控制工法研究

为解决采用三台阶法施工的土砂分界地层隧道围岩变形控制难题,以浩吉铁路阳城隧道为依托,采用室内试验、数值模拟和理论分析等方法对不同隧道埋深及土砂分界位置（土砂比,即土层厚度与砂层厚度之比）下的隧道围岩变形规律进行研究,并提出围岩变形控制工法的选取原则。研究结果表明： 1）不同隧道埋深及土砂比情况下的围岩变形曲线可分为变形预发展阶段、变形快速发展阶段、变形缓慢发展阶段和变形稳定阶段4个阶段,且均可采用Boltzmann函数进行良好拟合; 2）当土砂比由0∶1增至1∶0时,隧道拱顶沉降、边墙水平收敛和仰拱隆起对土砂分界面的位置变化具有不同的响应规律; 3）提出适用于采用三台阶法施工的土砂分界地层隧道围岩变形控制工法选取原则,并通过计算证明,该原则可有效指导围岩变形的控制。     

高地应力状态下软岩公路隧道的大变形机理与规律研究

高地应力区软岩隧道地质条件复杂,使软岩隧道变形控制难度加大。以某一工程实例为对象,运用MIDAS/GTS软件建立了软岩公路隧道模型,分析了不同侧压力系数下对高地应力软岩隧道开挖变形的影响作用。研究结果表明:随着侧压力系数的增大,隧道围岩水平位移由向隧道外挤压变形转化为向隧道内收敛变形,K值在0.5~0.75时,存在一个水平位移零点,最终水平变形量为0;对于隧道竖向位移变形,当侧压力系数小于1时,隧道最大竖向位移出现在拱顶处。当侧压力系数大于1时,上拱变形加强,但整体依然表现沉降变形,隧道最大竖向位移出现由拱腰转移到拱间处。K值在1附近时,隧道水平变形和拱顶变形所形成的最终变形量相等,可根据现场对水平位移和拱顶位移间的位移关系来判定隧道围岩侧压系数的大致取值范围。     

让压预应力锚索在软岩隧道大变形控制中的作用机制研究

为解决高地压、高流变条件下软岩隧道围岩及支护结构大变形控制难题，通过理论和数值分析，研究让压预应力锚索在隧道大变形控制中的作用机制。研究内容包括2个方面，一是研究新型让压锚垫板在低预紧力及低围压下的力学性能，满足支护结构先柔让压的要求； 二是让压结束后，预应力锚索在高预紧力条件下改善支护结构受力性能，实现后刚强支的作用。结果表明： 1）预应力锚索通过施加预紧力，增大洞壁径向阻力，提高围岩稳定性； 2）预应力锚索在让压结束后对支护结构的主要作用是减跨，由此提高支护结构刚度和承载能力； 3）围岩、支护结构和让压预应力锚索变形协调，力学上相互耦合，构成“先柔后刚”的支护体系。     

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。     

软岩隧道挤压型大变形非线性流变属性及其锚固整治技术研究

针对隧道高地应力软弱围岩洞室施工开挖变形与围岩失稳以及衬护结构设计问题,阐述开展岩土流变学研究的必要性以及对软岩挤压型大变形非线性流变问题的研究内容和方法,介绍隧道围岩挤压型大变形的定义、变形特征,及国际上隧道围岩挤压大变形的判定。介绍隧道围岩挤压型大变形非线性流变理论、相应的专用设计软件研制及其工程应用,主要介绍有关的研究内容及其创新性方面; 以广义Komamura-Huang流变模型为基础,建立一种能较完整地反映围岩二维、三维大变形非线性流变全过程的Komamura-Huang“弹-线黏弹-非线性大变形黏塑性”流变模型,并在ABAQUS软件基础上进行专用软件的二次开发,将其应用于兰新铁路兰武客运专线乌鞘岭铁路隧道岭脊段围岩5#断层带中,后又应用于甘南木寨岭高速公路隧道和云南滇中红层引水隧洞2处软岩围岩挤压大变形隧道,采用大尺度让压锚杆/预应力长让压锚索进行了整治研究,并分别进行了二维和三维非线性大变形黏弹塑性数值模拟分析。指出有待进一步深化研讨的若干问题。总结针对软岩挤压型大变形沿用现行刚性支护方案的不合理性和失效教训。提出管控/约束隧道围岩大变形持续发展的让压支护锚固技术措施--一种新型大尺度让压锚杆/预应力让压锚索,介绍让压锚具的受力机制及构造,强调其10个关键性设计施工参数。以兰州木寨岭高速公路隧道围岩挤压型大变形非线性流变分析与采用让压锚杆进行工程整治的试验段情况为例,对该隧道围岩挤压大变形进行二维数值模拟,并对施作让压锚杆进行工程整治的主要有关设计参数进行分析计算。“边支边让、大尺度让压锚杆”方法已先后在几处工程中得到了成功实施,取得了应有的经济效益,其工程技术收益应更受业界关注。     

大断面软岩隧道变形特征及多层初支控制研究

以连城山大断面软岩隧道工程为依托,基于施工监测数据,对比分析了单层I22b钢拱架初期支护、单层H20b型钢拱架初期支护、双层I22b工字钢拱架初期支护和双层H20b型钢拱架初期支护4种支护方案下围岩的变形规律与支护的受力特征。结果表明,单层和双层I22b钢拱架初期支护均不能控制隧道的大变形,而双层H20b型钢拱架初期支护可以控制隧道围岩变形。采用数值软件进一步比较了4种支护措施对于控制围岩变形的有效性,计算结果表明,I22b钢拱架的支护控制围岩变形的效果明显较差,尤其是单层I22b钢拱架的支护方案条件下围岩发生了较大的变形。采用双层初期支护的方案后围岩变形分布更均匀,支护结构与围岩协同变形。研究结果可为类似工程的设计与施工提供一定的参考。     

基于锚杆受力分析的软岩隧道变形规律及柔模支护技术

研究支护状态下围岩变形范围及其位移量将为合理确定软岩隧道开挖的预留变形量及其支护方案提供重要的理论依据。通过将隧道围岩简化为理想弹塑性介质,在围岩中布设全长锚固锚杆。基于锚杆与围岩的协调变形原理,建立杆体与其周围岩体相互作用的力学模型,分析锚杆表面摩阻力及轴力的分布规律,并根据杆体的静力平衡条件,推导出杆体与岩体相对位移为0的中性点位置及其最大轴力值,讨论初期支护条件下隧道围岩的塑性区及破裂区的厚度计算公式及其影响因素;综合考虑隧道表面围岩变形过程中的塑性位移和破裂区岩体的碎胀变形位移,提出隧道表面围岩的位移公式及预留间隙柔模支护技术,进而定量分析榴桐寨软岩隧道的围岩位移及其预留变形量。结果表明：通过锚杆轴力可以反演分析隧道围岩的变形范围,确定围岩稳定后的最终位移量;柔模支护结构能够大量吸收大变形软岩的变形能,且具有适当的刚度抵抗围岩的有害变形,研究成果可为合理设计软岩隧道的开挖及支护方案提供新的思路。     

大跨度浅埋偏压隧道围岩变形分析

利用有限元数值模拟分析了两组工况下偏压隧道的围岩变形及隧道衬砌受力情况,结果表明:衬砌外荷载主要由上覆岩土体自重以及围岩沿着潜在滑移面产生剪切变形形成,剪切变形对围岩及衬砌受力影响显著。在平行于偏压面岩层与衬砌交界处（浅埋侧拱脚、深埋侧拱肩）的内力明显突变。地表注浆加固在一定程度上改善了围岩物理力学特性,减小偏压引起的剪切变形,有利于围岩稳定及隧道衬砌受力。     

复杂地质隧道施工的沉降变形分析

针对黄土隧道围岩强度低、自承载力弱、开挖变形大的问题,基于数值模拟法对黄土隧道施工过程模拟仿真,得到隧道围岩开挖溶洞的位移变形特征和应力变化,并给出相应的隧道变形沉降控制措施。研究结果表明:隧道开挖过程中,掌子面上部围岩形成一个U形的整体沉降区,由隧道表面延伸到拱脚处,边界接近垂直。隧道开挖对围岩影响集中在隧道中线35 m范围,掌子面前方20 m内,其中在隧道中线20 m,掌子面前方6 m沉降值达到总沉降的24%~45%,沉降集中在掌子面至初支护封闭阶段。实际工程中,可通过加强拱脚强度、提高初期支护和超前支护、减少封闭距离来有效控制围岩沉降变形。