隧道围岩沿结构面滑移判据及其影响因素分析

文章利用弹性力学方法,在连续性假设和Mohr-Coulomb滑移准则基础上,推导了圆形隧道围岩沿结构面滑移的判定条件,并预测了结构面不同内摩擦角情况下的围岩最小滑移区域。利用离散元数值方法对该判据进行了验证,结合不同内摩擦角下的结构面剪切位移,证明了该判据的合理性;确定了保持圆形隧道围岩稳定而不出现滑移所需的结构面最小极限内摩擦角的影响因素及其数学关系,其影响因素包括侧压力系数、结构面倾角、以及隧道圆心到结构面垂距,并分析了上述3个因素对结构面最小极限内摩擦角的影响规律。结果表明:侧压力系数和结构面倾角主要影响远离隧道部位为保持围岩稳定所需的结构面最小极限内摩擦角,而垂距只影响靠近隧道开挖边界部位结构面的最小极限内摩擦角,对超过2.5倍开挖半径的区域影响效果不明显。研究结果可对含结构面岩体中隧道加固提供参考。     

深埋高地应力水工隧洞节理岩体开挖塑性区特征及分布规律研究

深埋高地应力水工隧洞处于复杂的地质力学环境中,开挖过程中围岩塑性区的分布及演化规律是隧洞稳定控制的关键。为了揭示高地应力水工隧洞开挖塑性区特征及分布规律,文章采用理论分析与数值模拟相结合的方法,推导了塑性区范围的计算公式,并引入新的无量纲参数作为非圆形隧洞围岩塑性区的评价指标,分析了节理岩体在高地应力条件下,侧压力系数以及开挖扰动对围岩塑性区的影响。研究结果表明,开挖扰动对于岩体开挖塑性区发展的轴向影响范围大约为1.0～1.5倍洞径,对于存在节理面的岩体,该影响范围可达到2倍洞径。侧压力系数直接影响围岩的塑性区形状,围岩塑性区有顺着节理面进行不规则扩展的趋势;水平应力与垂直应力差异性越大,节理面对围岩塑性区范围的影响越大,同时节理面有阻止塑性区沿垂直节理面方向扩展的作用。     

完整围岩剪切型岩爆发生的力学机制

文章根据大量工程岩爆实例,总结剪切型岩爆的特征,在此基础上提出一个剪切型岩爆的简化力学模型,在考虑岩爆区岩体自身能量释放的基础上,结合Cook刚度理论对剪切型岩爆发生的物理力学过程进行研究,分析由于潜在剪切破裂面本构曲线峰后软化现象而产生的围岩结构失稳,以及失稳阶段围岩结构对外界的能量释放,对剪切型岩爆的非稳定性机制进行探讨。研究结果表明:剪切型岩爆可以看成是由于开挖应力集中作用下潜在剪切破裂面剪切错动滑移,引起自身及周围完整岩体能量突然急剧释放,导致岩爆区岩体破碎并向开挖临空面抛掷的现象。岩爆区岩体及周围完整岩体所释放的能量对剪切面的作用相当一对串联弹簧的作用效用。剪切型岩爆的发生受岩性、潜在剪切破裂角、剪切面周围岩体刚度的控制作用,是围岩受力变形过程中岩石材料力学性质渐进性劣化导致的一种能量释放驱动下的围岩状态失稳突跳现象。     

节理岩体中TBM掘进施工围岩稳定性及可视化分析

节理岩体的地质赋存特征含岩体结构、原岩应力场和地下水三方面,由此产生诸如破碎带、大变形软岩、富水带等恶劣的工程地质条件。TBM在节理岩体中掘进受到岩体地质特征和工程地质条件的影响,同时也对岩体造成一定的扰动,可能将导致隧道围岩发生失稳。另外,地质勘探不到位、掘进机选型不当等因素也会导致或促进围岩发生失稳。TBM掘进围岩失稳的形式主要有开挖面失稳和洞周失稳,以及二者兼有的大型围岩失稳。为了更直观地观察TBM掘进围岩失稳,文章采用自主研发的块体理论分析软件BLKLAB对节理岩体进行三维可视化建模,模拟TBM隧道开挖,并根据块体理论计算分析得到了开挖面和洞周的可动块体和关键块体。     

基于离散元强度折减法的大跨隧道稳定性研究

节理面作为岩体中普遍存在的软弱结构面,对隧道围岩的稳定性影响较大,在节理较多的大跨隧道施工中,更容易发生拱顶掉块、塌方、滑移等灾害。基于此,文章依托贵阳市南垭路三号隧道,基于离散元强度折减法,采用3DEC软件对不同节理倾角、间距、组数以及衬砌参数情况下的隧道安全系数进行分析,评价了各因素对隧道稳定性的影响。结果表明:节理倾角越大、分布越密集、节理组数越多,隧道的整体稳定性越差;在单组节理的岩体中,节理倾角是影响隧道稳定性的主要因素;喷混凝土层对隧道的整体稳定性提升显著,10 cm厚喷层即可比裸洞的安全系数提高17.9%,并据此提出了隧道衬砌参数的优化建议。     

基于向量投影响应面法的隧道围岩变形稳定可靠度分析

围岩变形稳定是保证隧道施工安全的重要因素,由于影响围岩变形稳定因素众多,围岩变形稳定功能函数一般为隐式或为高度非线性,而采用向量投影响应面法可使计算简化且精度可得到保证。为了应用可靠度理论判定围岩变形稳定性,文章以Mohr-Coulomb强度理论作为围岩屈服条件求得的圆形隧道围岩位移解析解作为围岩位移函数,将圆形隧道毛洞围岩表面刚好达到剪切塑性极限时的洞顶沉降位移作为围岩变形的极限位移,建立了圆形隧道围岩变形稳定功能函数。利用向量投影取样法,通过响应面函数的梯度投影确定取样点,求解响应面函数,再用一次二阶矩法计算了某圆形隧道的围岩变形稳定可靠指标,并和蒙特卡洛法计算结果进行了对比,根据可靠指标对该隧道围岩变形稳定性进行了评定。     

基于非接触测量技术裂隙岩体隧道开挖局部损伤分析

裂隙岩体损伤区的合理确定对于工程开挖和支护方式的选择至关重要。文章针对这一问题,提出了基于现场岩体结构面的精细测量和表征技术,利用优化后的数值模型定量分析隧道岩体损伤区范围及其力学特性;结合辽宁建兴高速公路某隧道开挖工程实例,采用非接触测量手段采集隧道掌子面的结构面信息,并导入GeoSMA-3D系统,生成接近实际情况的三维空间结构面模型;在此基础上利用颗粒流数值方法 PFC计算确定隧道开挖损伤区范围,并对围岩应力、位移曲线和力链、裂隙分布进行了对比分析。其研究结果表明,力链集中表征围岩开挖扰动程度,裂隙的密度表征围岩开挖损伤程度,而裂隙的贯通则与破坏区对应,从而可以较准确地识别节理岩体隧道工程中岩体损伤区范围及其力学特性;同时利用PFC也较好地模拟了岩石在破坏阶段存在的损伤局部化现象。     

超大断面隧道大倾角层状围岩力学特性研究

文章以重庆轨道交通环线莲花村车站隧道工程为依托,采用有限元数值模拟对超大断面隧道开挖时大倾角层状围岩的力学特性进行研究。通过建立大倾角岩层数值模型,对隧道进行不同工况的分步开挖计算,分析得到大倾角层状围岩的塑性区、应力和位移变化规律。结果表明:大倾角层状岩体塑性区位于层面内,层面塑性变形最大;围岩最大拉应力发生在上部中导洞围岩开挖支护过程中,上部左导洞以及中导洞外壁围岩产生最大拉应力;最大压应力发生在上部中导洞开挖支护过程中,大倾角岩层上部右导洞以及中部右导洞在各工况中产生最大压应力;隧道中、下部右导洞水平位移在二衬施加后达到最大,围岩最大下沉量位于上部左导洞处。     

结构面空间组合关系对隧道围岩稳定性影响研究

隧道围岩变形破坏与岩石强度、结构面空间组合关系、地下水和地应力等因素关系密切。为研究结构面空间组合关系对隧道围岩稳定性的影响,文章基于郑万铁路向家湾隧道工程地质条件,采用UDEC离散元软件对全断面开挖下的围岩稳定性进行数值模拟,重点分析了两组结构面的空间组合关系对结构面剪切滑移、围岩塑性破坏及位移的影响,同时根据开挖后围岩变形的差异——完好、掉块、塌方,定性统计整理得到了结构面空间组合对隧道开挖稳定性影响统计表,并给出了相应的施工建议。研究结果表明,隧道围岩变形破坏主要发生于结构面间距小于1.5 m,且J1倾角为45°～75°、J2倾角为103°～133°的空间组合条件下。     

小规模下伏薄煤层采空区倾角对隧道开挖稳定性的影响研究

公路隧道近接下伏采空区施工必定会打破采空区的原始平衡状态,出现应力重分布现象。为研究不同倾角下伏采空区对隧道施工稳定性的影响规律,文章采用有限元软件构建采空区地层隧道计算模型并进行了数值计算,研究了下伏采空区倾角对隧道洞周位移、初期支护内力和塑性区的影响规律。计算结果表明:(1)下伏采空区的存在加大了隧道洞周位移,倾角越小,增幅越大;(2)下伏采空区的存在增强了初期支护内力分布离散性,尤其是对拱顶内力影响幅度较大,主要体现在隧道拱顶轴力降低,倾角越小,降低值越大;(3)下伏采空区的存在增大了围岩塑性区,甚至贯穿到采空区冒落带,倾角越大,塑性区越小。因此,下伏采空区倾角越小,隧道施工风险越高,围岩稳定性越差,结构受力越不利,应采取有效措施提高下伏采空区的处治强度。     

顶部溶洞对隧道围岩稳定性影响的数值分析

文章以纳黔高速公路叙岭关隧道工程为依托,运用迈达斯GTS分析软件,建立了隧道结构及围岩的计算模型,分析了不同位置、大小的顶部溶洞在隧道开挖过程中对围岩位移、应力、塑性区以及支护结构受力的影响。     

破碎岩层位置对隧道稳定性的影响研究

为揭示破碎岩层位置对隧道稳定性的影响规律,文章以某节理裂隙岩体隧道为研究对象,根据破碎岩层位置的不同分别建立6个计算模型,采用离散元软件UDEC对各个模型进行仿真模拟,并对比分析破碎岩层不同位置下的隧道开挖后应力和位移响应云图。结果表明:当破碎岩层位移隧道中线以上时,对隧道稳定性影响最大;当破碎岩体层位于隧道中心以下,对隧道稳定性影响较小。     

穿越古滑坡川主寺隧道围岩破坏特征及稳定性研究

文章以川主寺隧道所处的工程地质条件为基础,通过现场调研分析了隧道围岩变形破坏形式主要为坍塌、掉块以及剥落.围岩稳定性三维有限元数值模拟结果显示,碎裂围岩自稳能力差,围岩变形以弹塑性变形、松弛变形为主;H型钢拱架支护结构对碎裂围岩稳定性起到积极的作用,并通过典型洞段现场位移监测数据分析结果得以证实.     

Effect of Seismic Parameters on the Safety Factor for an Underground Cavern北大核心CSCD

In order to quantitatively evaluate the safety of the surrounding rock of an underground cavern under seis-mic load, a comprehensive evaluation method for the stability of surrounding rock is proposed based on the general safety factor and point safety factor. A calculation method for the general safety factor of a cavern based on the prin-ciple of shear strength reduction of a rock mass is given, the run-through of the plastic zone between the main power-house and main transformer room is presented as a critical criterion for the overall instability of the cavern, and the general safety factor is obtained by searching for the reduction coefficient. A point safety factor calculation method based on the Mohr-Coulomb yield criterion is given. The influence of different seismic input parameters on the general safety factor of the cavern and the point safety factor of key positions are studied based on an underground power-house cavern of a hydropower station in Southwest China. The results show that the quantitative evaluation method for the stability of the surrounding rock based on the safety factor is feasible and can reflect the general safety de-gree and local safety degree of different positions of the cavern for different working conditions. It is found that the general safety factor of the cavern and the point safety factor of key positions decrease with an increase of the ampli-tude and duration of a seismic wave while they increase with an increase of the incident angle; additionally, the low frequency of a seismic wave has a great influence on the cavern while the high frequency has little effect. © 2018, Editorial Office of "Modern Tunnelling Technology". All right reserved.     

水平小净距隧道中夹岩安全系数法研究与应用北大核心CSCD

中夹岩柱是小净距隧道围岩稳定控制的关键部位,判别中夹岩的安全性是工程设计和施工过程中的重难点。文章通过分析不同围岩级别、埋深情况下中夹岩的破坏模式,建立Ⅳ级围岩条件下水平小净距隧道中夹岩力学分析模型,并确定中夹岩破裂面位置。根据中夹岩上部滑块体形状的不同分为两种情况,通过边坡稳定性原理、极限平衡假设及普氏压力拱理论推导中夹岩上部滑块体的抗滑力、下滑力以及安全系数的计算公式,从而建立起评判中夹岩安全性的安全系数法,并结合数值模拟对其进行验证。将经验证后的安全系数法应用于某实际隧道工程,判断其中夹岩安全性,得出该隧道中夹岩破坏临界厚度为6 m,进而对6 m以下的中夹岩使用锚杆进行加固。     

哈尔滨人防改造工程监控量测技术研究

文章根据季节性冻土地区隧道扩挖的监测(以建筑物沉降、地表沉降、围岩位移为主)成果,对影响施工安全的主要因素做了综合性分析和探讨.研究成果表明:隧道扩挖对建筑物沉降和围岩位移的影响较小.而对地表沉降的影响较大:雨季的到来对建筑物、地表的影响较小,但对明挖区间的建筑物、地表影响较人,尤其是边坡;季节性冻土对明挖段附近的建筑...     

公路隧道开挖与支护数值模拟分析

文章以某公路隧道为工程背景,采用Midas/GTS有限元程序对其施工过程进行二维弹塑性数值模拟,分析得出施工阶段隧道围岩位移、应力的变化规律和开挖引起的塑性区,以及初期锚喷支护结构所产生的内力,为公路隧道设计和施工提供理论依据和指导。     

铁路隧道下穿既有公路地层变形特性研究

文章结合张唐铁路工程燕山隧道下穿公路出口段,采用三维有限差分程序,研究分析了其施工过程中的地层变形特性、力学响应、能量积聚及塑性区分布特征.研究结果表明:公路最大沉降量小于规范要求,围岩竖向最大变形为20 mm,水平变形为16 mm;掌子面前方挤出变形明显,最大值为38 mm;边墙能量密度集中现象较显著,位于距洞壁5 m深部围岩处;掌子面前方6 m左右围岩处出现能量积聚,为掌子面稳定关键部位:塑性区主要集中在掌子面前方、拱肩、边墙及墙脚.为此,建议对掌子面进行预加固,保证墙脚和拱肩部位配筋,提高结构整体稳定性.     

大跨度隧道动态施工力学响应的数值分析

文章以重庆建新坡隧道为例,对大跨度隧道施工过程中的围岩应力和塑性区变化进行了FLAC3D三维数值模拟分析,揭示了围岩应力和塑性区的分布规律,为大跨度隧道工程设计和施工提供参考依据。     

隧道震裂岩体围岩分级方法初探

汶川地震产生了大量的震裂松动山体,为合理评价在这些震裂山体中新建隧道的围岩级别,通过极震区在建隧道现场震裂岩体调查,对震裂岩体特征及其对围岩稳定性的影响进行了分析。震裂岩体是一种受强烈地震波作用后,岩体结构面更加发育,层间结合更差的一种岩体;并且硬质岩和软质岩的震裂特征不同,硬质震裂岩体易产生集中式张裂缝和松动,软质震裂岩体易产生体积式松弛变形。在此基础上,提出了岩体震裂等级,划分为轻微、中等、强烈三种级别,并建立了震裂岩体围岩分级的修正方案,即:轻微震裂岩体对围岩稳定性影响不大,可不考虑降低围岩级别,或者降低0.5级;中等震裂岩体对围岩稳定性有不利影响,围岩级别降低0.5～1级;强烈震裂岩体对围岩稳定性影响极为不利,围岩级别降低1～1.5级。