福建梅花山隧道岩爆机理的数值模拟分析研究

受隧道分步施工开挖顺序的影响,隧道围岩内将会产生应力应变的非线性变化,在高地应力区域这种力学效应将更加明显,并会引起岩爆、片帮等严重地质灾害。文章结合福建梅花山铁路隧道工程实例,利用3D-Sigma软件建立三维隧道开挖数值模型,以实测应力数据为边界条件并利用Hoek-Brown强度准则估算确定岩体的输入参数,分析了开挖过程中开挖步骤的相互影响,以及隧道的三维时空应力场的变化规律。结果表明,隧道在高地应力作用下,拱顶形成压应力集中,拱肩位置形成了剪应力集中,这些应力集中导致洞壁围岩发生脆性破坏,并且后续的开挖作业会影响先前开挖成型的洞段,导致应力集中作用更为明显,加重围岩的破坏;工程实践中实际发生岩爆的位置与数值模拟结果中显示的最大压应力和最大剪应力集中位置对应良好,证明数值模拟结果能很好地揭示该隧道岩爆发生的孕育机理和规律性。     

GSI及其在扁担垭隧道围岩稳定性分析中的应用

地质强度指标(GSI)是用来估算不同地质条件下的岩体强度的,它根据岩体结构、岩体中岩块的嵌锁状态和岩体中不连续结构面质量并综合各种地质信息进行估算,该方法在岩体稳定性评价中应用非常广泛。文章将论述其在沪蓉西高速公路扁担垭隧道围岩稳定性估算中的应用,以及隧道围岩稳定性系数及围岩压力的分析计算,并提出合理的支护方案,可供设计施工方参考。     

深埋隧洞岩爆的抽样概率预测方法

随着我国地下工程建设逐步向深部发展,大量岩体工程受到岩爆灾害的威胁。因此,岩爆预测方法的研究对于施工过程的灾害控制和施工参数的正确确定具有重要意义。然而,岩爆的发生具有一定的随机性,导致其随机发生的一个很重要的因素是由实际工程岩体的非均质特性导致的岩体力学参数的随机性。鉴于此,文章基于不确定性的可靠度理论与数值计算手段相结合的方法,提出了一种深埋隧洞岩爆的抽样概率预测方法。首先,将岩体力学参数视为随机变量,通过室内试验并结合Bayes方法获得力学参数的分布类型及其数字特征;其次,利用可靠度理论中的蒙特卡洛方法,通过随机抽样构建一组数值计算样本;最后,对样本进行数值分析,并对样本数值计算结果进行统计,从而获得岩爆发生的概率。采用该预测方法,对锦屏二级水电站3#试验洞F支洞的岩爆案例进行了分析和预测。结果表明:预测分析结果与实际岩爆情况一致,且该方法简单实用,可为深埋隧洞岩爆预测提供有益的参考。     

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。     

节理岩体隧道围岩稳定性判定指标合理性研究

隧道围岩失稳模式和稳定性判据一直是工程界争论的焦点,迄今没有科学合理的标准,常以洞周位移或塑性区经验值作为稳定性判定指标。洞周位移受围岩弹模、隧道形状等因素影响,而且不同部位变形值差异很大,很难找到统一标准;以塑性区作为稳定性判据优于以位移作为判据,围岩塑性化反映连续介质宏观塑性流动力学动态,而不能用于量化判定由优势结构面控制节理岩体破坏的隧道稳定性。文章结合细观节理形态和变化,通过UDEC离散元程序,研究节理岩体隧道失稳模式及量化的稳定性判定指标,探讨了细观结构机制和宏观力学行为关系。结果表明:(1)结构面极大地削弱岩体力学性质及其稳定性,结构面变形与强度性质对于隧道稳定性起着关键控制性作用;(2)节理岩体隧道扰动区可划分为脱落区、张开区和剪切滑移区,其中脱落区表征围岩失稳模式,张开区围岩处于脱落临界状态,即塌方潜在区域;(3)剪切滑移区是诱发围岩发生渐进性破坏主因,提出将剪切滑移区作为节理岩体隧道稳定性判定指标具有严格力学依据,可以定量化评价围岩稳定程度。最后,以在建兰渝铁路木寨岭隧道为例,对比了锚杆支护前后力学效应,验证了以剪切滑移区作为节理岩体隧道稳定性判定指标的可靠性、合理性和现实性。     

兰海高速扩容工程大坪子隧道工程地质分析

文章以兰海高速公路扩容工程大坪子隧道为研究对象,调查分析了隧址区的工程地质条件,预测了隧道涌水量,并通过在室内外进行岩体物理力学参数及声波测试,进行了隧道围岩分级,为类似工程设计与施工提供参考。     

考虑围岩冻融损伤劣化效应的隧道长期稳定性研究

寒区隧道围岩受到冻融损伤劣化作用会对隧道长期稳定性造成不利影响。文章以鄂西北十房高速公路通省隧道片岩为例,通过室内冻融循环及压缩试验,得到单轴抗压强度与冻融循环次数之间的关系。根据掌子面围岩现场工程地质调查结果,并基于Hoek-Brown准则,估算出考虑冻融损伤劣化效应的岩体力学参数。然后采用FLAC3D对冻融循环条件下隧道的长期稳定性进行数值分析,分别得到0次、4次、8次、12次、16次、20次冻融循环条件下隧道衬砌位移场及应力场变化特征。结果表明,冻融循环作用下,隧道衬砌的变形及主应力均出现了不同程度的增大。与不考虑冻融损伤劣化作用相比,经过20次冻融循环作用后,衬砌的变形、最大主应力、最小主应力分别增大了1.3%、5.3%、1.5%。在支护方案选择及支护结构设计时,有必要考虑长期冻融循环作用下围岩力学特性损伤劣化对隧道稳定性的影响。     

岩体力学参数对隧道围岩稳定性的影响分析

文章采用正交数值模拟试验方法研究了岩体力学参数对隧道水平收敛、拱顶下沉量和塑性区因子的影响。选取6个因素(弹性模量、泊松比、内摩擦角、抗拉强度、内聚力和密度)、3个水平的正交试验方案,采用方差分析方法对试验结果进行分析。结果表明:影响水平收敛量因素的程度大小的次序为内聚力、弹性模量、内摩擦角、抗拉强度、泊松比;影响拱顶下沉量因素的程度大小的次序为内聚力、内摩擦角、弹性模量、抗拉强度、泊松比;影响塑性区因子因素的程度大小的主次顺序为内摩擦角、内聚力,而密度对隧道围岩稳定性几乎没有影响;改变任一岩体力学参数,试验结果与正交试验结果吻合;考虑隧道围岩稳定性,应当对隧道开挖后的水平收敛量、拱顶下沉量和塑性区因子等进行综合考虑。针对三泉隧道V级围岩段施工,提出合理支护方式,并通过数值分析和现场监控量测验证了围岩处于稳定状态。     

基于修正Q值的武当群片岩岩体质量分级方法研究

地下工程建设中经常会遇到地质背景条件特殊的围岩,需要建立与之相适应的岩体质量分级方法。文章结合Q分级方法的特点和不足,以鄂西北地区武当群片岩为例,分析了武当群片岩水敏性、各向异性、构造偏压、水平构造应力等特征;并在此基础上提出了考虑岩块强度、岩体完整性、地下水、地应力、片理面产状等因素的修正Q分级方法,得到了以地下水(出露情况、水压)、地应力(大小、与洞室轴线夹角)、片理倾角等为修正系数的Q′分级方法的计算公式。以十房高速通省隧道为例进行分析验证,分级结果与围岩的实际质量等级基本一致。研究结果可为复杂工程岩体质量分级方法的建立提供参考。     

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。     

隧道围岩强度及稳定性评价

围岩强度指标是隧道工程设计中不可缺少的重要参数,准确预测围岩强度对隧道支护设计和稳定性计算十分重要。文章针对富溪隧道地质条件复杂、围岩稳定性差等问题,以现场岩石点荷载试验推测岩石强度;以隧道围岩的Q指标统计为基础,利用基于Q指标的经验公式推测围岩抗压强度;按照富溪隧道各个断面围岩的抗压强度,评价各段围岩的稳定性。研究表明,采用的三个经验公式中,无论平均值还是分散度,Yudhbir公式预测结果都最接近规范标准值,说明所用方法用于隧道工程是可行的。该方法简单、实用,预测结果能够反映围岩工程特性,符合实际,可以作为隧道工程中定量评价围岩强度的有效方法,可为隧道设计、施工提供可靠依据。     

基于BP神经网络的隧道参数反演模型研究

随着我国基础建设的不断推进,越来越多隧道不可避免的修建在地质地貌复杂的地区,隧道施工安全与岩体参数确定变得更加重要.本文运用LM算法改进的BP神经网络与数值模拟技术相结合的方法构建智能隧道围岩参数反演模型,并结合工程实例对其可靠性进行检验,以期为类似隧道物理力学参数预测提供参考.     

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。     

基于遗传算法的地下洞室围岩力学参数反分析

围岩是地下洞室的主要承载结构,设计分析时采用的围岩力学参数是否合理直接影响计算结果的可靠性。文章结合某水电站引水隧洞工程,根据围岩监测数据,基于遗传算法,对ABAQUS商业软件进行二次开发,编写了遗传算法程序,对地下洞室围岩力学参数进行反分析,利用反分析得到的参数与工程设计采用的参数进行对比,分析讨论设计采用参数的合理性。结果表明,围岩参数反演值大于设计值,利用反演得到的参数进行计算,位移值小于初始参数的计算值,说明设计采用的参数取值偏安全。类似洞段的分析结果表明,文章采用的方法在类似工程的参数分析中具有很好的适用性。     

地质顺层偏压隧道围岩压力及其分布特点的试验研究

结合渝怀铁路渔塘湾隧道所处的地质顺层偏压特点,按照相似理论,对地质顺层岩体作用于隧道衬砌结构上的偏压载荷进行了模型试验,初步得出了地质顺层偏压隧道围岩压力的分布特点及其与不同顺层倾角之间的变化关系,并就顺层岩体隧道结构的形式和支护措施进行了探讨。     

贵州某隧道工程地质条件分析研究

该隧道地处贵州高原西部,场区属溶蚀—侵蚀地貌单元。主要采用工程地质调绘、钻探等综合勘察手段进行,基本查明隧道所处场地的工程地质条件、水文地质特征、岩土体工程地质特征,对场地稳定性做出评价,场区不良地质为岩溶、危岩体及堆积体。根据地质调绘、岩样试验等成果分析,测区野外岩土体主要物理量力学试验成果及岩体完整性系数显示,施工中易发生大规模突发性涌水、涌沙、突泥等危害,应做好防排水措施设计,避免隧道内积水,保证排水通畅。分段确定围岩级别及力学指标,围岩产状平缓,顶板岩体受爆破震动易塌落,应加强围岩支护加固措施;边仰坡开挖临空易发生垮塌,应加强坡体加固防护措施,确保安全。详勘阶段加强场区工程地质勘察,进一步查明场区工程地质条件,为初步设计提供工程地质资料。     

基于地震波法测定岩体弹性抗力系数

围岩弹性抗力系数是隧道结构设计的重要参数,其原位测试具有难度大、费用高的特点。基于此,文章提出一种根据隧道地震波反射法进行超前地质预报实测的围岩地震波波速计算其弹性抗力系数的方法。首先根据实测地震波波速计算围岩的动弹性参数,然后利用前人得出的岩体动、静弹性参数关系计算围岩的静力学参数。以此为基础计算围岩的弹性抗力系数。文章以赣龙汀州隧道为例,采用上述方法获得了该隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩的弹性抗力系数,分别为0.54~1.19 GPa/m和0.24~7.6 GPa/m。计算数值与我国《铁路隧道设计规范》中Ⅲ、Ⅳ级围岩的弹性抗力系数吻合,这说明根据地震波反射法进行超前地质预报所获得的围岩地震波波速确定围岩弹性抗力系数是一种可行的方法。     

基于层次分析的可拓学理论围岩大变形预测方法及应用

围岩大变形是地下工程建设中地质灾害的一种,为探讨准确而快速地预测围岩大变形,文章将层次分析法和可拓学理论方法与围岩大变形预测相结合,建立了基于层次分析的可拓学理论围岩大变形预测方法。该方法是在物元理论、可拓集合论和关联函数运算的基础上,通过选取能够反映和体现围岩大变形的几项重要参数指标(本文选取岩石单轴抗压强度、主应力值、强度应力比、弹性模量四项指标),建立围岩大变形预测的物元模型,结合层次分析法来确定各因素的权重值,通过实际围岩大变形等级的关联度计算,最终确定围岩大变形等级;并与模糊层次分析法取得的围岩大变形结果进行对比分析。该方法能够运用一定的基础数据对围岩大变形作出预判,对工程建设可起到一定的指导作用。     

红土山隧道断层破碎带超前预报综合技术

本文针对红土山隧道与多条断裂破碎带相交,岩体十分破碎,围岩变化多,V级围岩占多数,地质情况复杂,存在F5断层破碎带等地质特点,在采取以TGP206地质超前预报系统进行超前地质预报的基础上,结合探地雷达预报及钻探相结合的超前预报方法,对设计存在岩层破碎带的K24+900~K25+080段落成功地进行了地质超前预报;通过红土山隧道断层破碎带的预报成果与实际开挖围岩地质状况进行对比分析,验证了超前地质预报结果的准确性,从而证明了超前地质预报在隧道施工中的应用的重要性和对复杂围岩情况段落采取多种预报手段结合的必要性。     

基于隧道现场施工监测数据的动态反分析

以深圳莲盐高速公路隧道为背景,基于现场的监测数据,采用动态增量优化反演分析的方法反演隧道围岩的岩体力学参数;利用反演得到的力学参数,结合施工过程对后续施工断面围岩的变形进行了预测分析。结果表明,预报值与实测值吻合得较好,能有效指导隧道的信息化施工和动态设计,也是隧道数字化工程中不可或缺的部分。