大直径竖井井口段施工过程受力性状分析

大直径竖井施工过程受力复杂,论文以秦岭终南山公路隧道2号竖井为例,根据设计提供的支护参数,采用FEM程序模拟了隧道竖井井口段施工全过程。有限元分析表明:隧道施工各阶段围岩及支护结构应力符合安全施工要求,2号通风竖井采用混合作业法施工,一掘一喷循环方式切实可行;井筒周围围岩开挖卸载过程中应密切注意底板向上隆起而产生拉应力和井壁底部由于周围土体侧向压力作用导致张拉应力。     

秦岭终南山特长公路隧道超大直径深竖井全断面机械化打井配套技术

主要针对建设规模世界第一的国家重点项目秦岭终南山公路隧道,2号竖井工程的正向法全断面机械化开挖,从现场布置、设备选型及安装、工艺特点及成功经验等方面进行了介绍.     

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。     

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。     

向家湾隧道软弱围岩段全断面工法适用性研究

以郑万高铁向家湾隧道IV级围岩段为研究对象,在隧址区工程地质条件野外调查、隧道施工过程中围岩地质信息编录和岩体力学测试的基础上,采用UDEC离散元软件分析全断面开挖工况下围岩的应力分布、变形和破坏特征。结果表明,向家湾隧道试验段采用全断面开挖会造成拱顶渐进式破坏,进而塌落形成水平拱。在仅对围岩作超前小导管注浆处理的情况下,全断面开挖工法不适用于IV级和V级软岩隧道施工。     

含2条软弱夹层的隧道围岩开挖过程破坏模式研究

软弱夹层是山岭隧道常遇的不良地质现象,目前关于多条软弱夹层对隧道围岩稳定性的研究尚不多见,为加强该方向的研究,采用模型试验和数值模拟研究含2条软弱夹层隧道围岩开挖过程中的破坏模式。基于实际工程背景,设计模型试验,从裂隙损伤演变、应力场及应变场变化规律3个方面得到相吻合的破坏模式：首先拱顶受剪应力影响,沿软弱夹层发生滑移,进入塑性区;然后左、右拱肩受张拉应力影响,发生了塑性变形,出现张拉裂隙;接着右拱脚受剪、拉应力影响,进入塑性区;最后左拱脚受拉、剪应力影响,进入塑性区。采用FLAC^3D软件对试验进行模拟,将模拟结果与试验结果进行对比,并分析含单条软弱夹层和含2条软弱夹层隧道围岩破坏模式的差异性。结果表明：数值模拟结果与试验结果吻合良好;2条软弱夹层的存在会抑制软弱夹层下方隧道的水平收敛;隧道顶拱之上塑性破坏区域与水平面的倾角更小,表现出更危险的破坏趋势;顶拱区域、左拱脚与左中墙连通面应作为不利区域重点考虑;含2条软弱夹层的隧道围岩破坏模式有不同于单软弱夹层的规律,基于单条软弱夹层的支护方案进行设计、施工不能满足围岩稳定要求。     

秦岭终南山隧道竖井施工取得最小误差和最高精度

由中交隧道工程局承建的陕西秦岭终南山隧道2号通风竖井工程井深661m,开挖直径12．12m～15．20m,是目前世界交通建设中规模最大的竖井工程。     

超大断面市政隧道合理断面型式的确定

随着城市化进程加快、汽车保有量的快速增加,单洞三车道、四车道大断面隧道在公路隧道和市政隧道中的比例逐渐增加。合理的隧道断面型式设计,将有效提高大断面隧道的空间利用率、节省工程造价。坪盐通道马峦山隧道工程全长约7.89 km,开挖跨度达16-18 m,最大开挖断面达200 m~2,属特长扁平超大断面市政隧道。利用数值模拟方法,对比分析了Ⅲ级、Ⅴ级围岩条件下三心圆和五心圆隧道的围岩位移特征、围岩受力特征、支护结构受力特征、围岩塑性区分布特征,从而确定了不同围岩的隧道的合理断面型式。为其他类似市政隧道工程的断面型式设计提供了参考。     

非对称异性隧道结构施工对既有轨道交通的影响研究

本文结合重庆两江桥渝中连接隧道近接轨道交通六号线小什字车站2号风道竖井段(下称"2号风道竖井")的工程实例,研究分析了城市隧道对轨道交通的影响。结合施工步序,以2号风道竖井为研究对象,通过MIDAS/GTS进行三维数值模拟,分析2号风道竖井附近围岩应力分布及竖井的变形,并对2号风道竖井安全稳定性做了研究。研究结果表明该工程的修建会对轻轨6号线的2号风道竖井造成的扰动可控,轻轨交通和2号风道竖井均能保证安全,也可为类似非对称异性隧道结构的建设提供一定的依据。     

地震作用下压力型锚杆格构梁破坏特征试验

为研究强震作用下边坡锚固系统的抗震作用及破坏特征,采用振动台模型试验,分别输入汶川波、EL-Centro波、正弦波作为地震激励,监测坡体加速度、锚杆和格构梁的应变,研究加固滑坡在强震作用下的动力响应差异以及不同位置锚杆和格构梁在地震作用下的受力特征。结果表明:强震作用下,坡脚剪切松弛区的形成导致坡脚首先进入塑性区,坡脚锚杆的承载能力受到影响,坡脚处的横梁出现拉弯变形;由于潜在滑面的存在,坡体上部土体易发生张拉破坏,坡顶首层锚杆受拉作用增强,中上部的格构梁和锚杆存在明显的不协调性,坡顶的首层横向格构梁发生拉弯变形;与横梁相比,竖梁的弯应变较小,各层的应变差值不大,与锚杆的协调性较好;建议在拟静力法设计的基础上,在锚固滑坡坡脚密集地打入短锚杆或土钉以平衡坡脚滑面处出现的不协调往复运动;加长设计坡顶的第1层锚杆,以抑制坡顶滑面处的拉张裂缝;同时在坡体顶面垂直地打入短锚杆、微型桩或种植根系发达的植物护坡,且在格构梁设计时应多考虑横梁的拉弯变形。     

高丽营隧道围岩压力有限元-上限法计算方法研究

为研究浅埋隧道围岩压力的计算方法,依托高丽营隧道工程,采用有限元软件建模分析,并基于剪切应变判定准则得到浅埋隧道的失稳破坏形态。然后构建塑性极限分析上限法破坏模式和速度场,建立浅埋隧道围岩压力计算方法,对岩土体非线性破坏准则对浅埋隧道围岩压力的影响规律进行探讨。研究结果表明： 1）无论是基于线性还是非线性破坏准则,侧压力系数的取值对计算结果均有很大影响,侧压力系数的增大,会引起竖向围岩压力的减小和水平围岩压力的增加; 2）围岩压力随非线性系数的增加而逐渐减小。     

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。     

基于变分法原理的浅埋隧道围岩压力上限研究

浅埋段隧道上覆岩土厚度随埋深发生变化,且受地形条件影响,有必要考虑埋深对隧道支护结构设计的影响。为得到变化埋深条件下洞口浅埋段的围岩压力分布和影响长度,基于Hoek-Brown 破坏准则,采用极限分析上限理论,得到浅埋段隧道上方塌落体的构成曲线,并基于变分法原理获得浅埋段隧道极限支护力(反力为围岩压力)沿隧道轴向的变化规律曲线。通过分析,得到以下结论: 1)围岩压力随上覆土厚度增加而呈曲线增加; 2)依据围岩压力随距离(埋深)的变化关系可以得到浅埋段的有效影响范围,超过影响范围的围岩压力几乎不随埋深变化,可以视为深埋段; 3)围岩压力和浅埋段临界范围不仅与岩土材料参数有关,也受到隧道断面宽度和地表坡度的影响。     

黄金坪水电站大断面尾水隧洞结构安全性研究

依托黄金坪水电站尾水隧洞工程,采用数值模拟、现场监测的手段进行了深埋大断面尾水隧洞开挖结构安全研究。研究结果表明:将隧洞断面划分为4层开挖,顶层采用导坑扩挖法,先开挖中部导坑,再向两侧进行刷扩处理,因刷掉的是围岩松动圈外圈的低应力松散带,避免了扰动深部围岩,有利于结构安全;大断面尾水隧洞在分层开挖、支护过程中,围岩最大拉应力为0.86 MPa、最大压应力为6.9 MPa,支护结构最大拉应力为0.6 MPa、最大压应力为5.0 MPa,均远小于允许应力而且不会发生岩爆,围岩和隧洞支护体系在开挖、支护完成后逐步达到稳定状态;围岩多点位移计的现场监控量测结果验证了数值计算结果的正确性,研究方法可为类似工程提供参考。     

深埋隧道层状岩体破坏过程特征模型试验

针对深埋隧道层状岩体围岩变形破坏的复杂性,以渝沙高速公路共和隧道工程为背景,采用自行研制的弹脆性相似材料构筑层状岩体隧道物理模型,利用应变监测技术和内窥摄影技术,研究了层状岩体在不同荷载作用下围岩应力分布及变形破坏过程特征。结果表明：深部层状岩体受层理结构面的影响,围岩具有明显偏压特征;在沿层理面方向主要受到与其一致的应力挤压从而产生剪切破坏,垂直于层理方向的破坏呈X型裂纹且沿洞壁深部发展;掉落块体呈楔型体,隧道围岩破坏范围呈明显的不均现象;模型试验结果与现场测试结果基本一致,为理论分析深部层状岩体破坏机理提供了可靠的试验结果。     

大桥隧道锚碇三维粘弹塑性数值模拟

为了解某大桥隧道锚碇及围岩体在张拉荷载下的变形状态及时效特性,采用三维显式有限差分软件FLAC^3D对该大桥隧道锚碇系统进行三维粘弹塑性数值模拟。根据地质资料以及混凝土锚碇结构尺寸,建立隧道锚碇的三维计算模型,对岩体与锚碇之间的相互作用以及锚碇结构在长期荷载作用下的破坏模式进行研究,分析了由于施工开挖引起的锚碇和隧道围岩的位移及其应力变化。分析结果表明：当考虑岩体的流变力学特性后,在设计荷载作用下,锚碇和隧道围岩的变形均有所增加;与弹塑性计算结果比较,施加荷载后经流变分析得到的隧道顶拱和底板的切向应力有所降低,拉应力的量值及拉应力区的范围减小,塑性区体积进一步扩大。     

虎跳峡分岔大断面公路隧道稳定性分析

虎跳峡地下立交隧道是国内目前断面尺寸最大的山区地下立交隧道,施工时需要多方面考虑各断面的安全性。为分析虎跳峡大断面隧道的稳定性,建立有限元三维隧道模型,结合强度折减法,对围岩整体区域进行弹性模量、内摩擦角、黏结力参数折减,对围岩进行安全性分析,得到大断面隧道的安全系数为1.63。提取拉应变与位移数值结果可知:当围岩较为完整时,直接开挖后,围岩的整体变形较小,加固措施对于围岩的稳定性提高幅度有限,并且竖向位移模拟结果与现场的监测数据较为接近。     

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。     

基于Hoek-Brown准则的隧道围岩改进单元安全度分析

为了建立基于应变软化Hoek-Brown强度准则的围岩安全性评价方法,首先推导了Hoek-Brown准则与Mohr-Coulomb准则之间的关系,求得等效内摩擦角和黏聚力。其次将屈服接近度和破坏接近度进行变换统一到单元安全度量体系,进而总结了由Hoek-Brown应变软化参数表征的改进单元安全度（Zone Safety Index,ZSI）公式,实现了对单元的弹性、屈服和破坏状态的表达,并基于FLAC3D中FISH语言进行二次开发,编译了ZSI计算程序。随后,通过FLAC3D软件建立三维隧道模型,对该方法进行验证,并研究了Hoek-Brown准则参数对ZSI的影响规律。最后针对甄峰岭隧道大变形段的锚杆加固效果进行研究,利用ZSI法对大变形段不同长度锚杆加固方案进行安全稳定性对比分析,确定了较为合理的加固支护措施。研究结果表明：①ZSI小于1的区域与MIDAS的有效塑性应变区域基本一致,验证了ZSI程序的正确性,且ZSI可对岩体的弹性、屈服、破坏区域进行量化评价。②ZSI随地质强度指标GSI增加而增大,采用三次多项式进行拟合精度较高;随着单轴抗压强度σ_ci增大,ZSI呈指数方程增加,具有较高的相关性,扰动越大,单元安全度越小,表征围岩稳定性越差,ZSI随扰动因数D呈双曲线递减趋势变化;③ZSI法能够作为隧道初期支护方案优化和安全性评价的参考指标,对相关隧道的优化结果显示,3 m长注浆锚杆,同时加强其他支护结构能有效控制事故区的大变形,且安全性较好。