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。     

将军山隧道节理特征对围岩稳定性的影响及锚杆支护机理研究

节理岩体隧道破坏与节理属性密切相关。文中依托将军山大跨隧道,分析节理特征对隧道围岩稳定性的影响,阐述节理岩体隧道围岩失稳机理和锚杆支护机理,提出节理岩体隧道锚杆支护设计建议。结果表明,块体塌落区分布在两组节理与隧道相切形成的三角区,为围岩失稳关键区域;节理张开区、剪切滑移区由拱腰延伸到拱脚、拱肩,向围岩深部发展,呈蝶形分布,为围岩失稳潜在区域;节理岩体失稳机理为开挖应力平衡打破—应力降低区出现—节理面剪切滑移—节理面张开—块体塌落;节理岩体锚杆作用机制为对节理面施加法向应力以增加节理面摩擦阻力、锚杆轴力提供抗滑力、锚杆抗剪能力限制节理面相互错动。     

隧道近距大节理硬脆性围岩破裂机理

为揭示近距大节理硬脆性隧道围岩的破裂机理,采用含天然节理的流纹岩开展双轴压缩试验,获得围岩应力分布特征及渐进破裂过程。PFC2D离散元颗粒流程序模拟了节理围岩和完整围岩在双轴压缩作用下的变形及破裂特征,并与室内试验结果进行对比分析。研究结果表明：双轴压缩作用下,含天然节理的隧道试样表现出显著的脆性破坏特征,节理面起裂发生滑移错动,拱顶和底板围岩逐渐拉裂,宏观破裂面穿过大节理并向隧道拱脚、边墙和试样边界扩展,造成试样的最终失稳破坏;PFC2D数值模拟结果显示,大节理面附近裂隙集中发育,并迅速扩展形成与节理大角度相交的破裂面,试样峰前破裂过程短暂,峰后裂隙加速扩展而承载力急剧下降,数值模拟与试验结果吻合;近距隧道大节理显著影响硬脆性围岩的破裂模式,大节理的剪切滑移引发试样的宏观破裂,靠近大节理的拱脚十分破碎,而边墙则形成“V”形破碎区。研究成果为节理隧道围岩的支护设计和防灾减灾提供参考。     

山区城市环境下节理围岩小净距隧道施工力学研究

以重庆东水门长江大桥和千厮门嘉陵江大桥渝中区连接隧道为依托工程,在室内岩石力学试验的基础上,结合工程地质分析和公路隧道设计规范,选取比较符合工程实际的节理围岩参数,且基于二维离散元软件UDEC建立节理围岩小净距隧道数值模型,并对其施工力学效应进行研究,详细分析隧道围岩的位移及应力变化特征、隧道开挖对上覆建（构）筑物的影响等。此外,还对隧道施工支护方法进行优化分析。     

某高速公路软岩隧道施工过程中的应力和变形研究

某高速公路隧道所处地层为软弱围岩。围岩节理、层理发育,围岩强度低,地质条件复杂,导致其施工难度大。为了保证隧道开挖过程中施工安全、进度和质量,基于有限元软件FLAC 3D分阶段对隧道的应力和变形进行仿真计算。通过在隧道施工现场布设变形和压力测试元件,得到顶拱下沉、周边收敛、围岩接触压力、二衬压力等测量结果,并将现场监测结果与有限元仿真计算结果相结合,从而为隧道施工方案提供参考。     

节理岩体中纵向间距对连拱隧道稳定性的影响

为了研究双连拱隧道左右幅开挖对临洞的影响,以云南省晋红高速公路蔡官营隧道为研究对象,采用块体离散元软件3DEC中的黏结块体模型建立数值模型,模拟分析双连拱隧道一侧开挖对临洞拱顶沉降和围岩节理破坏范围的影响。研究结果表明：该模型能够合理地表征蔡官营隧道纵向间距过大或过小时现场出现的异常变形及结构破坏等现象;开挖过程中,无论是先行洞或后行洞开挖都会造成临洞拱顶沉降值增大及围岩中张拉、剪切破坏节理数量的增加,且破坏的节理主要以剪切滑动破坏为主,说明除了位移、应力外,节理破坏数量的变化也可作为围岩所受扰动大小的判断依据。然后以多个指标为判断依据,研究该隧道左右幅掌子面不同纵向间距对隧道围岩及支护结构的影响,进而确定合理的纵向间距;根据先行洞掌子面附近拱顶沉降值变化得出合理间距不小于30 m,根据张拉失稳节理面的数量得出合理间距为20~40 m,根据处于滑动状态的节理数量得出合理间距为30~40 m,根据发生滑动节理数总和得出合理间距为20~40 m,根据中隔墙的水平位移得出合理间距为20~40 m,根据二衬弯矩值得出合理间距不大于40 m,综合所有判断依据,得出隧道左右幅掌子面纵向间距应介于30~40 m（隧道净空的2~2.5倍）之间。在后续施工过程中,将左右幅掌子面纵向间距严格控制在该范围内,最终隧道顺利实现了贯通。     

胡麻岭隧道不同产状裂隙岩体稳定性及支护力学特性

依托“兰渝客专”胡麻岭隧道工程,研究不同岩层产状（倾角）围岩稳定性,以及支护结构力学响应。结果表明:节理面极大降低隧道围岩稳定性,节理面物理力学性质是隧道围岩失稳的控制性因素;竖向节理隧道失稳以冒顶、坍方为主;当岩层为水平时,其支护结构受力分布合理;倾斜产状节理岩体支护结构受力呈现明显偏压现象;隧道边墙相对稳定,围岩锚杆加固有效长度3 m,拱顶要提高设计参数,有效促进“拱效应”形成,确保隧道稳定性。     

基于层状围岩变形特征的高地应力陡倾板岩隧道合理洞型研究

即将开工建设的川藏铁路雅安至昌都段,隧道穿越地层多以陡倾（立）变质层状板岩为主,埋深大都在千米左右,地应力高或极高,其建设面临着很严重的大变形问题,给设计阶段初期带来极大挑战。针对以上工程背景,基于层状围岩的变形特征,对高地应力陡倾板岩隧道的合理洞型选择展开研究。首先通过解析计算分析圆形洞室层状围岩的变形特征,并进一步采用离散元数值模拟计算分析马蹄形洞室的变形特征,经相互对比验证数值计算的可行性和合理性,在此基础上,对比研究高地应力陡倾板岩地层单洞双线隧道、双洞单线隧道选择对控制变形的优越性,最后在选定的双洞单线隧道洞型基础上进行优化选择。研究结果表明：与岩层倾角垂直处围岩以结构变形为主,结构面张开变形与薄层结构的弯曲变形为变形的主要来源,且垂直结构面方向围岩变形程度与影响范围均大于其他方向;从控制隧道变形及开挖影响范围考虑,在高地应力陡倾（立）板岩地层采用双洞单线隧道更为合理;在高地应力陡倾（立）板岩地层中,单线隧道高跨比为1.02~1.06时,变形控制最好,而圆形隧道由于开挖面积的增大并非为最优断面。     

岩溶区运营公路隧道衬砌受力特性模型试验分析

岩溶区隧道的修建改变了原有地下水平衡,溶洞的存在会使水压力集中作用在隧道衬砌上产生集中应力,严重威胁到隧道的正常运营与安全。以广东省岩溶地区运营公路隧道为工程依托,基于室内隧道模型试验,研究岩溶区运营公路隧道在不同溶洞空间分布形态大小特征、不同节理倾角、强降雨条件下衬砌的受力特性,以隧道衬砌表面应变、孔压、土压力和衬砌周边围岩位移的试验测试数据为分析依据,得出结论:沿经过隧道衬砌中心位置走向为45°和135°的溶洞对隧道衬砌不良作用大;溶洞的直径对于隧道衬砌受力特性影响最小,其作用主要是通过与围岩节理面倾角和溶隧间距(溶洞与隧道)的组合来体现;溶洞与隧道距离约在该距离为1.5倍隧道直径时,隧道衬砌的安全性最差;围岩的节理面倾角对隧道衬砌安全性的影响较为复杂,主要表现为以围岩沿节理面方向运动发生的附加应力作用和地下水沿节理面渗流所发生的孔压调节作用。     

岩层倾角与隧道走向间关系对大断面隧道围岩稳定性的影响

针对大断面隧道拱顶围岩的稳定性,运用普氏理论确定大断面隧道拱顶围岩平衡拱高度,获得支护结构拱顶荷栽计算依据,通过分析隧道不同走向条件下岩层节理倾角护对顶平衡拱内层状围岩应力状态的影响,研究θ对隧道拱顶围岩稳定性的影响。结果显示,岩层呈水平产状时,隧道内拱顶围岩易发生掉块,隧道不同走向对隧道内应力重分布无差异性影响;岩层倾斜、隧道走向与岩层走向相同时,拱顶围岩的稳定性随口增大而减小;隧道走向与岩层走向垂直时,拱顸围岩的稳定性随口增大而增大;上三角组合节理条件下开挖隧道,拱顶裂隙呈闭合状态,褶曲轴面下固岩需加强支护;倒三角组合节理情况下,拱顶裂隙呈张开状态,拱顶易发生小型掉块。     

浅埋隧道爆破施工中邻近框架结构的振动响应分析

为研究隧道爆破作用下邻近框架结构的振动响应机制，以某5层框架结构住宅楼为例，借助ANSYS/LS-DYNA建立基于隧道爆破-围岩-框架结构的三维耦合数值计算模型，分析隧道爆破施工中邻近框架结构的振动响应。研究结果表明： 数值模拟清晰地展示了隧道爆破作用下围岩和框架结构应力场、位移场的变化情况，给出了爆破振动波从围岩至框架结构的传播过程。通过对比实测测点与数值模拟中对应测点的振动速度时程曲线和频率分布，验证了数值模拟方法的可靠性。在隧道爆破作用下，邻近框架结构梁、柱以及外墙等构件的振动响应并不一致，随结构高度呈现出不同的变化规律。此外，应力集中现象主要发生在建筑物底层外墙、外墙与柱结合处、外墙与梁结合处以及外墙与楼板结合处等非承重部位，表明这些部位更易在隧道爆破过程中发生损伤开裂。     

基于D-P系列屈服准则的隧道开挖效应研究

为选用合适的D-P准则以获取理想的计算结果,对不同D-P系列屈服准则进行比较系统及深入的研究,论证准则转换强度折减的本质。以梅大高速圣人山隧道为背景,采用现场监测和数值模拟相结合的方法,分析各分区岩体稳定性状态随开挖过程的演化规律。结果表明： 1）隧道拱底区应力调整最为强烈,拱顶次之,侧壁最弱; 拱顶区围岩经历了压剪、拉剪、压剪循环破坏过程; 侧壁区围岩以压剪破坏为主,其压剪松动区形态呈“侧耳形”; 拱底区各点在掌子面通过目标截面后一直处于三向受拉状态。2）选用不同的屈服准则对θσ计算结果影响不大,但对应力计算结果影响较大,计算中同时考虑围岩关键部位受力状态进而采取合适的D-P准则很有必要。     

高地应力深埋层状围岩隧道非对称变形受力机制研究

为深入研究高地应力层状围岩中隧道和支护结构的非对称变形受力特性和机制,以绵茂公路篮家岩隧道为工程背景,采用现场监测和数值模拟相结合的方法,研究不同层理角度和地应力方向下隧道变形、钢拱架应力以及二次衬砌弯矩和轴力的变化规律。结果表明： 1）层状围岩中隧道结构受力的最不利位置常出现在层理面法向方向; 2）隧道的非对称变形机制在于地应力对层理面产生的法向挤压作用和切向滑移作用,当层理面角度缓倾时,隧道拱顶和拱底承受较大挤出变形,当层理面角度陡倾时,地应力方向与层理面夹角越小,隧道衬砌在主应力作用位置产生的滑移变形越大。最后,根据层状围岩隧道变形和衬砌受力特征,提出合理的支护优化措施。     

板岩隧道顺层塌方分析及预防失稳措施研究

为避免板岩隧道围岩楔形体掉块和顺层塌方的发生,针对板岩的力学性质和变形特性,从隧道施工方面对板岩隧道围岩的工程特性和易形成塌方的地质构造类型进行总结,并以半山隧道初期支护长段落顺层塌方为例进行深入的分析和研究。结果认为:当顺层构造岩层和节理产状与隧道走向夹角较小、多组节理相互切割与岩层面形成不利结构面组合长段落斜穿隧道时,受施工开挖爆破震动、地下水浸润、重力作用以及大断面开挖形成临空面的影响,围岩及支护结构局部薄弱处出现失稳破坏,由于牵引作用不断扩大并持续发展造成较长段落的坍塌。最后,提出了顺层构造、节理密集带和隧道开挖后不利结构面组合对围岩稳定性的影响分析方法,针对板岩地质隧道施工提出了预防围岩失稳的措施和支护结构的优化措施。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

隧道稳定性分析与设计方法讲座之三：隧道设计理念与方法

本文作为一个讲座对以往研究成果作一综述。回顾了当前采用的3种隧道设计方法,提出了基于数值极限分析的地层－结构法,克服了地层－结构法缺点,可以求得设计所需的围岩稳定安全系数,解决了当前设计中的人为性问题。对隧道深浅埋分界线进行了探索,叙述了基于散体理论的隧洞深浅埋分界标准。提出了基于弹塑性理论的隧洞深浅埋分界标准,并对2种分解标准的优缺点进行了评述。阐述了隧道设计计算的5个基本理念： 1）隧道设计必须满足运行和施工中安全要求,提出初期支护后围岩安全系数必须保证施工安全; 2）隧道设计计算模型必须适应不同工程地质条件、围岩压力特征,符合隧道实际受力情况; 3）必须符合现代围岩压力理论与现代支护原理,充分发挥围岩自承作用; 4）隧道结构计算模型也应符合结构实际受力状态,树立初期支护作为围岩加固材料,按塑性理论计算的新理念; 5）采用合理的计算方法与计算参数,确保隧道设计计算的科学性。最后以一个地铁车站为例,采用本讲座提出的方法介绍了Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ级围岩中隧道的设计方法与成果。     

基于现场实测的深埋风积沙隧道围岩压力计算方法研究

风积沙作为一种黏聚力低、自稳能力差的不稳定围岩,给隧道设计和施工带来很大困难。 为探究风积沙围岩压力大小和分 布规律,依托蒙华铁路王家湾隧道开展现场量测试验,根据实测的围岩压力分布特征,得到深埋风积沙隧道的围岩压力计算模式, 并通过数值计算分析与现场量测数据对比验证其合理性。 研究结果表明: 深埋风积沙地层围岩压力分布很不均匀,但普遍拱部较 小,初期支护大部分处于受压状态。 计算分析得深埋风积沙隧道围岩压力采用太沙基计算公式是较为合理的,进一步优化得深埋 风积沙隧道垂直方向围岩压力计算图示采用“双峰”形分布,水平方向围岩压力计算图示采用“阶梯”形分布,相比铁路隧道设计规 范的传统模式更安全,与实际衬砌受力状态更符合。     

基于位移释放系数的深埋圆形压力隧道力学行为的解析解

为解决含有孔隙水的可渗透岩层中隧道围岩的力学行为，采用复变函数法与Biot孔隙弹性理论相结合的方法，建立了一个基于位移释放系数的可渗透深埋圆形压力隧道的应力和位移的解析模型。根据应力应变本构方程及平面应变协调方程导出了应力函数的非齐次双调和方程。选取计算参数进行算例计算，并将计算结果与商业有限元软件的计算结果进行对比，两者基本一致。通过选取不同的隧道参数及远场应力比进行敏感性分析，发现隧道在软衬砌和硬衬砌条件下会产生较大差异的力学行为。位移释放系数和孔隙压力对围岩中的环向应力和径向应力有显著的影响。     

青岛地铁隧道矿山法下穿限制使用等级建筑物沉降控制技术

以青岛地铁3号线太延区间下穿伊美尔整形医院段为例,解决地铁隧道下穿限制使用等级建筑物沉降控制难度大、危险系数高和控制方法复杂等技术难题,根据不同里程段围岩变化情况,采用超前管棚、超前小导管、袖阀管跟踪注浆和局部帷幕注浆等多种技术控制措施配合,得出以下结论： 1）针对不同里程段围岩状况与对应的建筑物状况,采用针对性控制措施,控制效果良好,节省成本; 2）通过监测数据变化情况,合理选用施工方法,灵活采用施工工艺,能够快速达到控制沉降的目的; 3）在施工周边环境受到限制、地面措施无法开展的情况下,在地铁隧道内采取措施,有效控制建筑物沉降。     

基于能量法的连拱隧道钻爆施工对围岩损伤影响分析

以采用无导洞钻爆法施工的云南省武定至易门高速公路三台坡连拱隧道工程为依托，针对爆破施工对无导洞连拱隧道围岩造成损伤的问题，利用能量衰减公式推导隧道围岩振动速度衰减公式；采用FLAC^3D软件计算分析实际工程围岩振动速度以验证理论推导公式的准确性，并计算分析在爆破荷载作用下连拱隧道围岩、中墙的振动速度和振动位移的变化规律。研究结果表明：振动速度的理论计算结果和数值模拟结果之间的相对误差较小，说明基于理论推导得到的隧道围岩振动速度计算公式是可靠的；爆破过程中产生的能量以地震波的形式向外传播，当地震波传至地表仍未完全衰减时，未完全衰减的能量将以反射波的形式继续衰减；爆破施工过程中围岩振动速度和振动位移最大值均位于距掌子面6 m的已开挖区隧道拱顶围岩处，未支护情况下隧道拱顶8 m范围的围岩振动速度大于63.5 cm·s^-1，围岩处于损伤的状态，因此在爆破施工过程中应对已开挖区围岩进行预加固。