岩溶隧道围岩位移场解析解研究

利用复变函数并结合Schwarz交替法推导了半无限平面内隧道与岩溶之间相互影响的位移和应力解析解。结合实际工程计算得到如下结论：随着岩溶与隧道的净距不断增大,岩溶对隧道的影响越来越小,当溶洞半径是净距的5倍时,可认为岩溶对隧道不产生影响。利用本文得到的岩溶隧道围岩的解析解,可计算得到岩溶影响下隧道围岩的应力和位移值,并且计算结果有较高的精度。     

多溶洞隧道围岩应力解析解研究

基于复变函数,推导了双溶洞隧道之间相互影响的应力解析解。研究表明：当溶洞距隧道位置不变的情况下,溶洞洞径越大,隧道围岩应力越大;当溶洞洞径以及溶洞距离隧道位置不变的情况下,溶洞离隧道越远,隧道围岩应力越小;当溶洞洞径以及溶洞与隧道距离不变的情况下,溶洞的位置分布不同,隧道围岩应力的分布会改变。     

浅埋隧道施工地层位移控制的数值计算研究

以数值计算作为分析手段,模拟研究了浅埋隧道全断面开挖引起地层损失的主要因素。理论分析结果表明:即使在软弱围岩条件下,调节或改善核心围岩的力学行为及其强度,可以维护掌子面的稳定性和控制掌子面及其前方地层发生的绝大部分地层损失;超前加固隧道拱部、边墙和仰拱围岩,主要是减小掌子面后方地层损失,在相同的加固条件下在地层位移控制方面,仰拱超前加固最好,其次为边墙超前加固,最后为拱部超前加固。影响隧道拱部、边墙和仰拱超前加固效应的主要因素有加固层的厚度和加固后加固层的力学行为。     

管幕冻结法浅埋大断面隧道开挖方案对衬砌性态及地层位移的影响

经验表明,在软土、浅埋大断面隧道开挖方案中,加固方式对衬砌结构受力、隧道收敛变形和地层位移影响显著。港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道具有隧道埋深浅、结构断面尺寸大、地质条件差、地理位置政治敏感性强等特点。以该隧道为背景,利用数值模拟方法,分析大直径钢管管幕冻结法施工和隧道开挖方案对衬砌结构受力和地层变形的影响。经分析发现:不同开挖方案对衬砌受力、变形和地层位移的影响显著;在分台阶开挖过程中,台阶越小,引起的衬砌受力、隧道收敛变形和地层位移越小;管幕冻结对改善衬砌受力和地层位移效果显著,根据管幕冻土受力特性对其关键受力部位提出建议。     

含孤石软弱围岩浅埋隧道施工方法

花岗岩残积土中的孤石给工程施工带来了困难。龙厦铁路象山隧道出口段在施工过程中遇到含大量孤石的花岗岩残积层,除地层不均匀外,该段隧道还具有浅埋、地下水发育等施工不利因素。介绍施工中出现的工程问题,分析这些问题的成因,系统阐述改进的施工方法及措施,对类似工程有一定的借鉴意义。     

非均匀收敛条件下浅埋隧道围岩的弹性解

隧道稳定性分析主要考虑隧道开挖中围岩的应力及位移,对于浅埋隧道,由于上下边界的不对称,稳定性分析存在较大困难。目前众多隧道稳定性计算方法都基于隧道深埋假设,针对一般浅埋隧道的分析多停留在经验总结及数值模拟等方法上或未深入分析浅埋隧道失稳破坏机制。文中开展浅埋隧道围岩弹性研究,基于隧道在无限空间下的弹性解,运用镜像法,考虑隧道周边非均匀收敛情况,得到非均匀收敛条件下浅埋隧道的弹性解。     

考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形解析解

为了得到考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形解析解,基于复变函数理论引入一种新的考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形的求解方法。首先,为克服非圆形隧道断面、注浆圈几何形状和考虑衬砌支护造成的计算困难问题,引入了保角变换及复变函数幂级数解法。通过采用最优化解法确定保角变换中各项系数,得到计算模型映射函数。其次,通过幂级数复变函数法和弹性力学连续性条件克服隧道衬砌以及围岩注浆圈带来的多连通域问题,确定应力函数各项系数。随后,将得到的应力函数代入应力、位移方程求解考虑注浆加固作用的非圆形隧道应力和变形值。最后,将新方法所得结果分别与未考虑注浆作用的非圆形隧道应力及位移解和数值模拟计算结果进行对比分析。研究结果表明：注浆后注浆圈环刚度增大,整体性提升;衬砌变形减小,衬砌受到的围岩压力减小;围岩注浆有效改善了衬砌受力状态,使衬砌拱顶下沉减小约21.8%,拱底隆起减小约18.1%,拱脚附近法向应力减小约19.9%,环向应力减小约8.9%;围岩注浆可以有效加固岩体,封闭隧道周边岩体裂隙,改善衬砌受力状态,提高隧道抵抗变形和破坏的能力;解析解与数值解吻合较好,所得规律符合工程实际规律。研究结果可为考虑注浆加固作用下的非圆形隧道开挖问题提供一种新的快速、准确的计算方法,并为考虑注浆加固作用的非圆形隧道数值计算和安全运行提供参考依据。     

浅埋盾构隧道施工对地层变形影响研究

以上海地铁6号线11标深源体育中心站—世纪大道站浅埋盾构隧道工程为依托,借助理论分析和有限元数值模拟等研究方法,从横向地表沉降与土压力分布的角度,重点分析了浅埋盾构隧道施工对地层变形和土压力分布模式的影响。     

岔道口浅埋偏压连拱隧道应力监测与分析

岔道口隧道是张家口至石家庄高速公路上的关键工程,其作为浅埋、偏压双连拱隧道,采用分层台阶法进行开挖,是对特殊隧道施工的一种新尝试,对于中隔墙的监测工作尤为重要。该文阐述了该隧道监控测试方法,重点介绍了中导洞初支与围岩接触应力、锚杆轴力的量测及数据分析,分析结果表明初支有效遏制了围岩变形,同时确定了二衬最佳施工时间,预测支护锚杆长度,为后续工程的设计提供了重要参考依据。     

不同土质围岩条件下隧底围岩脱空规律与结构受力特征研究

针对铁路隧道隧底围岩脱空病害问题,采用室内试验与数值模拟方法,探明不同土质围岩类型、隧底结构形式条件下隧底围 岩脱空演变规律,给出不同土质围岩类型条件下隧底围岩脱空类型;进而,明确不同脱空类型条件下隧底结构受力特征。研究结果 表明: 1)在相同隧底围岩类型条件下,底板结构形式比仰拱结构形式更易发生围岩脱空现象;相同隧底结构条件下,黏性土、卵石 土、砂质土3 种隧底围岩的脱空程度依次降低。2)隧底围岩脱空类型主要与围岩类型有关;卵石土、黏性土和砂质土围岩最终脱空 类型依次为多处小范围局部脱空、整体性脱空、隧底中心区域大范围脱空。3)在相同围岩脱空类型条件下,底板结构受力特征变化 比仰拱结构更为剧烈,应力集中现象更为明显,更易引发隧底结构损坏。4)随着脱空范围增大,隧底结构弯矩变化量、轴力减小量 均呈增大趋势,轴力分布逐渐呈“中间大,两端小”的不均匀分布形态。     

一种改进的位移释放率计算方法及其在Ⅴ级围岩中的应用

为了探究高地应力作用下Ⅴ级围岩的开挖卸载效应,针对隧道开挖过程中实时位移释放率难以计算这一问题,提出一种改进的位移释放率计算方法,对不同工法作用下Ⅴ级围岩的变形规律进行数值分析和模型试验研究。首先基于正交试验原理,以黄土、砂、石膏、水泥、水为原材料配置得到Ⅴ级围岩相似材料;然后以自行设计的模型试验箱为载体,对配制出的相似材料进行平行试验,以保证每组材料在改变一种原材料基础上其余材料均不变,从而得到各组材料的应变-时间变化曲线;最后利用改进的位移释放率计算方法,结合模型试验过程实时监测数据,得到Ⅴ级围岩不同开挖工法下的位移释放率变化曲线,并与数值分析结果进行对比验证。研究结果表明：配制出的围岩相似材料在物理力学性能上均能很好地满足试验需要且具有经济环保等优点;平行试验下,各组材料均对开挖卸载产生影响且石膏产生的影响最大;模型试验结果表明,开挖前期台阶法位移释放率最大,随着开挖的进行双侧壁导坑法位移释放率逐渐增大直至最大,模型试验所得位移释放率在数值上虽与数值模拟结果略有区别但整体趋势保持一致,两者均显示隧道开挖过程中CRD法的位移释放率最小且开挖后期位移释放率逐渐趋于平稳,故建议在该高地应力Ⅴ级围岩段隧道施工时全程采用CRD法。     

考虑通风与围岩条件的寒区隧道温度场模型及作用规律研究

为了解决寒区隧道温度场的预测问题,为寒区隧道抗冻设防提供指导,结合传热学、流体力学的基本方法,根据能量守恒原理,推导寒区隧道风流温度场的传热模型,并在此基础上,借助有限差分方法,探讨通风和围岩条件对寒区隧道温度场分布的作用规律。研究结果表明: 1)入口风温越低,风流速度越大以及断面越大,相同位置处洞内温度越低,这是由于进入洞内的冷空气更多,入口风温每降低5 ℃,同位置洞内风流温度平均降低3. 8 ℃; 2)风流温度决定了离壁面一定范围的围岩温度大小,风流温度越低,冻结深度与受到影响的围岩范围更大; 3)初始岩温越大,围岩温度分布曲线越陡峭,围岩导热系数则相反,且初始岩温每增加 5 ℃,冻结深度减少0. 24 m,受影响的围岩径向深度减少0. 32 m。     

深切割地形浅埋偏压隧道围岩压力的计算方法

公路隧道设计规范给出了浅埋偏压隧道围岩压力的计算方法,但有其适用条件。以规范方法为基础,首先推导出采用规范方法需满足的临界边缘宽度;然后通过假定挡土墙模型,推导出深切割地形浅埋偏压隧道浅埋侧侧压力的解析解;最后以张涿高速公路李家堡隧道为工程依托,结合现场围岩压力量测,将方法与规范方法的计算结果进行对比,发现方法比规范方法更接近实际。研究结果为类似工程的设计及施工提供参考价值,对现行规范进行有益的补充。     

公路隧道开挖围岩位移预测及稳定性预报

建立了新的隧道工程开挖围岩位移预测和稳定性预报模型及其分析方法。对现有各种位移预测模型进行了评述 ;建立了适宜的围岩位移预测模型和稳定性预报模型 ;建立了不同变形特征下相应的围岩稳定性判断准则 ,提出了不同预测模型的选取标准 ;给出了隧道围岩稳定性预报方法和长期稳定指标的计算方法 ;介绍了自编的 DPSF程序 ;据此对现场隧道工程进行了位移预测和稳定性预报 ,对预报结果进行了讨论     

浅埋大断面公路隧道渐进破坏规律与安全控制

围绕浅埋大断面公路隧道渐近破坏过程与机制,以大永高速公路甸头隧道下穿大西二级公路工程为背景,开展了室内相似模型试验与现场监测分析。针对不同围岩级别条件（Ⅳ₃,Ⅴ₁和Ⅴ₂）,分析了隧道毛洞开挖过程中围岩应力和位移变化规律,提出了基于变形差率的隧道施工安全控制指标,隧道施工现场监测验证了该指标的科学性,保障了隧道施工安全。研究结果表明：①隧道的破坏首先发生在拱顶位置,随着隧道的不同分部的开挖,破坏区向拱肩和地表扩展;围岩级别为Ⅳ₃时,隧道开挖后围岩形成一定厚度的塌落拱,塌落拱高度约为0.67M（M为隧道最大跨度）;围岩级别为Ⅴ₁和Ⅴ₂时,隧道开挖将引起围岩坍塌,形成塌方等较严重事故。②隧道开挖过程中,在开挖卸荷作用下,隧道产生不同程度的收敛与沉降,Ⅳ₃比Ⅴ₁,Ⅴ₁比Ⅴ₂,Ⅳ₃比Ⅴ₂最大地表变形分别减少了63.0%、20.0%和70.4%;隧道开挖应力变化方面,Ⅴ₁比Ⅳ₃,Ⅴ₂比Ⅴ₁,Ⅴ₂比Ⅳ₃最大应力变化量分别减少了43.5%、23.0%和56.5%,且Ⅳ₃,Ⅴ₁和Ⅴ₂围岩级别下隧道开挖过程应力和变形影响范围逐个增大。③采用模型试验手段,通过计算典型测点沉降差与测点距离的比值——变形差率,分别探讨Ⅴ₂,Ⅴ₁和Ⅳ₃围岩级别的浅埋隧道施工安全控制标准。隧道施工现场监测结果表明,对于Ⅴ₁级围岩浅埋隧道,当隧道地表横向和纵向变形差率均小于10 mm·m^-1,可防止公路地表裂缝的产生。研究成果对于浅埋大断面公路隧道施工与安全控制具有重要意义。