浅埋软弱围岩隧道掌子面失稳破坏模式研究

将浅埋隧道掌子面稳定性问题简化为二维平面问题,构造了更符合实际工况的隧道掌子面破坏模式。在此基础上,采用极限分析上限法得到浅埋隧道掌子面支护反力的目标函数,并建立了优化变量约束条件。利用Matlab编制计算程序进行优化求解,通过算例得到了不同边界条件下维持浅埋隧道掌子面稳定所需支护反力系数,解释了浅埋隧道掌子面失稳机理,并分析了影响掌子面失稳的主要因素。     

基于极限分析的复合地层浅埋隧道掌子面上限支护压力研究

合理确定掌子面支护压力是保证隧道正常施工及周边环境安全的关键。为探究浅埋隧道中不同复合程度下复杂地层支护力上限值变化规律,基于三维有限单元极限分析软件Optum G3,建立一种考虑不同泥岩比例的浅埋隧道掌子面极限支护压力上限解模型,并通过案例对比分析验证模型的有效性。基于此,进一步探讨不同泥岩复合比例下掌子面支护压力上限解及对应失稳模式,并进行参数敏感性分析,拟合得到对应的简化计算公式。结果表明:1)复合地层盾构隧道开挖过程中,泥岩比例低于50%时,掌子面支护力上限值增长平缓,大于该值后支护压力迅速上升; 2)复合地层掌子面破坏模式显著区别于均质土层,泥岩比例小于50%时,易失稳点出现在砂层与泥岩交界处,位置随泥岩比例的增加而上升,大于该值后出现在隧道中心位置并保持恒定; 3)极限支护压力上限解与隧道埋深比C/D、覆土内摩擦角φ及黏聚力c值呈正相关,且埋深比C/D越大,增长的幅度越大,当泥岩比例大于75%后,不同黏聚力下的极限支护力趋于接近。     

震裂软岩隧道围岩-支护失稳机制和处治机理分析

以穿越5·12发震断裂带(龙门山断裂带)的广甘高速公路软岩隧道为工程依托,依据对施工现场频发的围岩-支护结构失稳破坏的统计,以及典型失稳案例的分析,探讨了震裂软岩隧道围岩-支护失稳机制及处治机理,并选取具有代表性的围岩-支护失稳段为试验段,对其处治机理及效果进行验证分析.研究结果表明:隧址区岩体受地震及新近地震的反复揉搓,致使山体内部岩体产生震裂损失、围岩稳定性不足、地下水的渗透性增强、围岩与支护结构不能密切接触,是造成软岩隧道围岩-支护失稳事故的直接诱因;通过掌子面反压回填、地下水引排、塌腔回填、加强超前支护、基底注浆加固、改善施工工法和加强支护参数等处治措施,可有效地稳定掌子面前方松动岩体、控制震裂松动围岩压力、增强围岩-支护体系的稳定性,且使支护体系具备一定的安全储备能力.     

下穿飞机跑道地铁区间隧道附加荷载计算方法

为更加准确方便地计算飞机滑行过程中对下穿飞机跑道的地铁区间隧道最不利作用位置的附加荷载值，将飞机22个轮子的最不利滑动荷载峰值作为飞机静荷载作用集中力，运用布辛奈斯克理论公式求解22个轮载作用下的地层附加应力值，分析不同埋深条件下最大竖向附加应力的分布规律和量值变化规律。根据荷载-结构法与飞机附加应力的理论解，确定下穿飞机跑道地铁区间隧道附加荷载的最不利分布模式，并通过回归分析得到飞机附加应力q1、q5的简化计算公式。最后通过数值模拟的方法验证了布辛奈斯克理论公式的适用性。研究结果表明： 1）随着隧道埋深的增大，飞机最大竖向附加应力与隧道竖向围岩压力的比值先迅速下降，随后缓慢下降，当隧道埋深大于50 m时，飞机最大竖向附加应力与竖向围岩压力的比值较小； 2）不同隧道埋深下的飞机最大竖向附加应力值点位置基本一致，位于距离飞机最后一排轮子2.1~3.3 m的中轴线上； 3）飞机附加荷载最不利分布模式为近似对称梯形分布模式，此时飞机最大竖向附加应力值点位于隧道拱顶正上方； 4）简化后的附加应力q1与隧道埋深z呈负相关关系，q5与隧道埋深z、隧道洞径D呈负相关关系。     

大断面隧道机械化施工支护结构设计方法——以郑万高铁湖北段隧道为例

为了建立适用于大断面隧道机械化施工技术的支护结构设计方法,基于极限平衡法推导了考虑3种超前支护措施(超前管棚、掌子面锚杆和掌子面预注浆)的三维掌子面稳定系数计算公式;基于大量的深埋隧道形变压力现场实测数据,通过多元非线性回归分析方法,拟合推导了基于BQ系统的整体形变压力计算公式及局部形变压力计算公式,并建立了对应的洞身支护结构设计模型。根据提出的支护结构设计方法,给出了郑万高铁隧道掌子面超前支护参数及初期支护参数,通过工程应用,证明了该参数的合理性及本文设计方法的实用性。     

岩溶隧道断续节理掌子面突水判据及灾变过程

为了给岩溶区隧道掌子面突水灾害的预警与防治提供理论支持,针对岩溶隧道掌子面断续节理防突岩体,从断裂力学角度分析了地应力和岩溶水压力等自然营造力作用下断续裂纹的压剪起裂属性以及分支裂纹尖端应力强度因子随水压和支裂纹扩展长度的变化规律,推导了断续节理岩体发生轴向张拉贯通破坏突水的临界水压力。运用两带理论和推导的临界水压力公式,建立了基于最小安全厚度的岩溶隧道掌子面断续节理防突层失稳突水判据,并分析了掌子面前伏岩溶水压力、断续主裂纹长度、断续裂纹排距及裂纹与最大主应力夹角等对防突层最小安全厚度的影响规律。采用可考虑流固耦合效应和岩体结构特征的三维离散元数值分析方法,研究了岩溶隧道近接前方高压富水溶腔顺序开挖中掌子面防突层岩体位移场、渗流场等演化规律及其临突特征。数值模拟结果表明：随着岩溶掌子面的不断推进,掌子面防突层岩体挤出位移逐渐由单一卸荷引起向卸荷和前伏岩溶水压共同影响过渡;掌子面各测点位移及位移增加幅度均持续增大;掌子面挤出位移和掌子面水流速度在突水通道即将形成时出现激增和突升现象,具有明显的突水前兆特征。     

穿越破碎带隧道掌子面力学模型及最小安全厚度研究

隧道穿越断层破碎带的稳定性及安全防护问题是目前隧道建设的难点。针对隧道掌子面前方存在破碎带松散岩土体的典型工况,基于隧道围岩以及掌子面的力学特性,采用理论计算、数值模拟、工程实践相结合的手段,提出了掌子面稳定岩体的最小安全厚度计算方法,并对隧道掌子面前方破碎带的预加固及处治方案进行了探讨。首先,建立了破碎带-岩板力学模型,将掌子面的岩体等效为受荷载作用的岩板,对受破碎带压力的岩板最小安全厚度展开计算分析,得到了岩板厚度与岩层倾角、破碎带有效高度的关系表达式,并对帷幕注浆处理参数进行了优化;随后基于理论计算结果,与某隧道穿越破碎带施工中因未控制掌子面岩体厚度而导致隧道失稳的典型案例展开对比分析;最后结合Comsol Multiphysics软件开展数值仿真模拟,分析了不同岩层倾角、隧道埋深、注浆预处理参数等因素对掌子面岩板最小安全厚度的影响。结果表明：理论计算、工程实际与数值模拟结果具有较好的一致性;正常施工时掌子面最小安全岩板厚度随破碎带有效高度的增大而增大,随岩层倾角增大而减小,故应在达到安全厚度之前对破碎带进行预支护;在选用帷幕注浆方法对破碎带进行预处理时,最小安全岩板厚度随着岩层倾角的增大而减小,此时在注浆过程中需要保留较大的安全厚度,同时控制注浆压力。     

穿越紧邻隧道时盾构开挖面稳定性分析

当盾构近距离穿越邻近隧道时,由于存在既有隧道的刚度约束,隧道周围土体的破坏模式会受到既有隧道影响。考虑盾构近距离穿越紧邻已有隧道的特殊施工形式,构建三维弹塑性有限元计算模型,分析盾构处于不同位置时其开挖面失稳破坏形态、开挖面支护压力与盾构掘进位移之间的关系以及隧道上方地表沉降规律;基于极限平衡法,推导盾构近距离穿越紧邻隧道时开挖面极限支护压力变化模式,并对相关参数的敏感性进行验证讨论。研究结果表明:既有隧道的存在使得破坏区域受到抑制,沿开挖方向两滑动面不对称,靠近既有隧道的滑动面张开角比另一滑动面张开角小;随着楔形体倾斜角增大,相同内摩擦角条件下的开挖面支护压力不断增大,同时由于盾构掘进产生的土拱效应和盾构开挖面上方既有隧道的刚度约束,随着内摩擦角的不断增大,开挖面支护压力呈先增大后逐渐减小的抛物线形变化;相同参数条件下,盾构在黏性土层中掘进时,由于黏性土层中产生的土拱效应较弱,所需提供开挖面稳定的支护压力略大,开挖面支护压力较盾构在砂性土层中掘进时略大,随着埋深比的增加,维持盾构开挖面稳定的极限支护压力逐渐增大,且随着内摩擦角的增大,开挖面极限支护压力相应增大。研究成果可为类似盾构隧道工程建设提供一定的理论参考。     

浅埋砂卵石土层隧道掌子面主动稳定性上限分析

依托成都地铁17号线明光站—九江北站盾构法施工区间,通过极限分析上限法及PLAXIS有限元分析方法探究影响浅埋盾构隧道掌子面的影响因素,分析内摩擦角、隧道埋深、隧道断面直径及土体容重对掌子面主动稳定性的影响。研究表明:掌子面支护力随隧道埋深C、隧道断面直径D及土体容重γ的增大而增大,而随内摩擦角φ的增大而非线性减小,且内摩擦角对支护力的影响最为显著。     

基于围岩虚拟支护力特性的隧道塌方机制及控制研究

为研究隧道塌方事故的典型模式及其演化规律,基于塌方案例统计分析结果,阐明隧道开挖面失稳塌方和关门塌方2类安全事故的基本特性,推导隧道围岩虚拟支护力纵向分布曲线,进一步从围岩应力释放角度揭示了虚拟支护力与2类塌方事故的关系,并给出了塌方事故的控制要求。研究表明： 1）开挖面失稳塌方和关门塌方2类由围岩和结构失稳引发的隧道塌方事故在事故次数（68%）、死亡人数（53.7%）和涉险人数（68%）方面占比较大,其中关门塌方事故单次事故涉险人数最多,潜在危害最大。2）隧道开挖面处的围岩虚拟支护力随着黏聚力的减小而降低,开挖面后方2倍半径处围岩的虚拟支护力已大部分释放（＜5%pi）。3）围岩变形和虚拟支护力释放的第2阶段内,围岩变形急剧,围岩虚拟支护力急剧释放且释放量较大,此阶段是隧道塌方控制的重点。     

上软下硬地层盾构隧道开挖面稳定性数值模拟研究

利用Abaqus有限元软件，对上软下硬地层的盾构开挖过程进行模拟，通过计算分析不同工况下的支护应力比和开挖面最大水平位移之间的关系，得出上软下硬地层隧道施工的安全盾构推力范围。结果表明：开挖面最大水平位移随支护应力比的减小而增大，数值模拟得出的最小支护力变化规律同实测值相一致，且盾构推力的安全参数范围为4.9～6.8。     

基于强度折减法的掌子面稳定性上限分析

为了研究在强度折减法下的掌子面稳定性问题,基于极限分析上限定理,把切线法引入刚性块体的非线性破坏机制,同时结合强度折减理论,构建了掌子面安全系数上限解的目标函数。运用Matlab中的fmincon函数对目标函数进行优化,获得掌子面稳定安全系数的最小上限解,并研究了各参数对掌子面安全系数的影响。结果表明:隧道埋深越大其安全系数呈线性减小;随着土体容重的增加安全系数呈减小趋势。此外,掌子面的安全系数对非线性系数m的敏感性也不同,随着土体容重的增加,非线性系数m对掌子面稳定安全系数的影响减小。     

基于块体理论的隧道围岩稳定性分析

为了解决隧道工程施工中围岩稳定性分析这一工程难题,依托某在建公路隧道,基于地质素描与数理统计分析工作,精细化描述节理产状、间距、填充物、黏聚力等特征,并利用三维重构技术建立基于节理特征的隧址区地层模型,最后利用块体理论检索了无支护、有支护工况下隧道临空面潜在的关键块体,分析了滑移形式和安全系数,并对支护参数进行了优化,得知原设计支护强度富余,适当优化后仍可确保结构安全。     

基于地下水生态平衡埋深的隧道排水量设计计算

为解决富水地区隧道开挖后地下水过量排放导致水位下降，进而破坏植被的正常生长和生态平衡的问题，提出基于地下水生态平衡埋深确定隧道排水量的有效方法。依托福州市某在建公路隧道，根据工程水文地质学，同时结合地下水生态平衡埋深的概念，提出隧道允许排水量的计算方法。首先，利用地下水动力学中的面井法，建立单洞隧道的地下水渗流模型，揭示地下水排放量与地下水位降深的关系。其次，根据所提出的地下水渗流模型，在植被存活的前提下，得出满足地下水生态平衡埋深要求的隧道排水时间，继而得出地下水排放疏干漏斗的影响范围。然后，通过降雨入渗系数法得到在影响范围内降雨补给量W与总地下水排放量Qt进行比较。通过调整隧道每延米平均涌水量q，使W等于Qt，q即为隧道的最大允许地下水排放量。研究结果表明： 1）地下水生态平衡埋深一定时，随着隧道单位排水量的增大，隧道影响范围逐渐减小，降水补给总量也逐渐减小，排放总量逐渐增加，因此存在一个单位排放量使排水总量等于降雨补给量； 2）未考虑水分胁迫时间效应得到的排水量较考虑水分胁迫时间得到的排水量偏于保守。最终，确定在建隧道的排水量q=0.4 m3/(m·d)。     

岭角隧道节理裂隙岩层稳定性离散元分析

为了研究不同埋深的破碎岩层对隧道稳定性的影响,以及节理裂隙较软岩层下隧道塌方过程的形态规律,依托岭角隧道工程,分别建立不同埋深破碎岩层下隧道开挖、支护的简化模型,应用离散单元法对岩层张开节理、塑性区及支护结构内力进行分析。结果表明:当破碎岩层分布于隧道拱肩及拱顶位置时,隧道稳定性最差,此时其支护结构上的内力值相对最大;节理裂隙较软岩层下隧道塌方一般经历断面收缩变形、大面积岩体塌落、塌方完成三个形态阶段。     

隧道穿越富水断层隔水岩体冲切剪切破坏研究

隧道在修建过程中不可避免会遇到富水断层等不良地质情况，极易引发突水突泥灾害，若能提前预测隔水岩体的最小安全厚度,则能有效避免灾害的发生。首先，以隧道穿越富水断层为背景，提出冲切剪切破坏模式的隔水岩体计算模型，得到最小安全厚度计算公式并进行影响因素分析； 然后，采用FLAC3D软件建立三维数值模型，确定最小安全厚度的模拟解,并与理论解进行对比；最后，将计算公式应用于永莲隧道以验证其适用性。结果表明： 1）最小安全厚度随断层宽度、隧道半径、水头高度的增大而增大，随断层倾角、隔水岩体内摩擦角及黏聚力的增大而减小； 2）模拟解与理论解较为吻合，且模拟得到掌子面附近围岩的移动态势与理论模型假定的破坏体运动方向一致； 3）计算公式能较为准确地预测隧道穿越富水断层时的隔水岩体最小安全厚度。     

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。