基于弹性应变能的深埋硬岩隧道岩爆研究

隧道掘进引起的应力调整会导致围岩的弹性应变能分布发生改变,其中弹性应变能大幅跃升区域的围岩发生岩爆的可能性极高。依托米仓山特长隧道,采用三维数值模拟手段,基于弹性应变能理论研究了隧道掘进过程中弹性应变能的变化规律。研究结果表明： 在高地应力条件下隧道掘进会导致明显的卸荷作用,引起围岩应力的重分布,从而导致掌子面附近区域弹性应变能剧烈改变,其中掌子面及其前方7 m范围内围岩的弹性应变能呈现下降趋势,掌子面后方围岩弹性应变能呈现增加趋势; 拱顶部位弹性应变能增加幅度为3.56倍、边墙部位弹性应变能增加幅度为3.73倍、基底部位弹性应变能增加幅度为4.66倍,存在发生岩爆的可能。     

微上台阶开挖法在甘姆奇克隧道岩爆段的应用

为了研究一种既能保证隧道岩爆段施工进度,又能降低围岩能量释放剧烈程度的应力释放方法,结合乌兹别克斯坦安琶铁路甘姆奇克隧道岩爆大部分出现在拱顶-拱腰段的特征,制定了微上台阶开挖法的应力释放方案。通过数值模拟计算和现场应用效果分析,该方案能够实现拱顶和拱腰处围岩应力的释放和转移,使围岩应力集中区提前得以消散,有效地降低了围岩发生岩爆的程度。同时,通过该方案的初步现场施工实践,证明： 相对于其他应力释放措施（如应力释放孔、超前导洞等）,微上台阶法在形成首次微台阶后基本不改变原有施工方案和工序,无额外工期,能够实现连续作业,可为类似工程岩爆防治提供理论依据和有益借鉴。     

TBM开挖深埋铁路隧道引起的围岩扰动分析

TBM深埋铁路隧道地应力水平高,应力场复杂多变。为研究TBM开挖深埋铁路隧道引起的围岩扰动,明确其应力重分布特征及产生机制,依托实际铁路隧道工程,采用FLAC 3D数值模拟软件,建立TBM隧道施工掘进模型,基于力流理论对TBM隧道开挖过程中的围岩应力分布特征及弹性应变能进行分析,采用弹性应变能大小为指标对隧道岩爆位置进行预测。研究结果表明:1)隧道围岩应力及弹性应变能大致呈上下对称分布,TBM的质量对围岩应力分布影响不大; 2)在水平构造型应力场中,σ_x(横向应力)的重分布对σ_1(最大主应力)的应力集中程度影响显著,拱顶和拱底、拱肩和拱脚、拱腰处最大主应力集中分别主要由横向应力、剪应力、竖向应力集中引起; 3)σ_1的应力集中程度反映了弹性应变能的跃升水平,隧道拱底和拱顶发生岩爆的可能性最大。     

基于PFC3D仿真重演的加载及卸载岩爆破坏特征研究

以兰-海高速公路桐梓隧道灰岩为研究对象,进行室内力学试验,并基于三维颗粒流程序PFC（particle flow code）进行加载和卸载岩爆试验数值模拟,得出不同应力状态下岩样的细观破坏特征。研究结果表明： 1）加载试验中岩石应力变化、颗粒位移、黏结破坏特征及能量变化情况均表现出3个阶段,即弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。2）岩石加载强度随着初始应力的增大而增大,岩石储存的极限应变也随之增大。3）应力越大,卸载试验岩爆倾向及强度越大,这是由于岩石破坏时应力由卸载面转移到内部,导致岩石内部应力集中;在其他条件不变的情况下,初始应力越大卸载岩爆强度越大,径向应力增大对硐室围岩稳定性有着更不利的影响。4）岩石加载和卸载条件下岩石的破坏具有较大区别。     

上下台阶法和CRD法施工下超大断面隧道围岩控制机制数值试验研究

为明确超大断面隧道软弱围岩破坏及控制机制,系统开展上下台阶法和CRD法开挖方式下超大断面隧道软弱围岩控制机制数值试验,对比分析不同强度等级围岩下隧道拱顶位移、最大塑性应变、支护构件受力变化规律,得出结论:不同开挖方式对隧道拱顶位移、最大塑性应变、支护构件应力影响显著;CRD法对隧道的拱顶位移、最大塑性应变、支护构件应力的控制效果比上下台阶法要好,且随围岩强度等级越低、隧道拱顶沉降越大,塑性区范围越大,支护构件应力越大,围岩稳定性越差。     

高地应力水平岩层隧道岩爆机制研究——以大峡谷隧道为例

高地应力水平层状硬脆性岩体隧道在开挖后周边应力会重分布,导致切应力增加,进而引起局部的弹性应变能增大,当达到一定程度后就会发生岩爆。为研究高地应力下水平岩层的岩爆机制,依托大峡谷超大埋深隧道,采用有限差分软件,建立水平岩层和均质岩层2种工况,从弹性应变能和应力路径2个方面分析了水平岩层岩爆的风险性。研究结果表明:1)在构造应力场的作用下,水平岩层与均质岩层存在较大差别。隧道开挖后,由于开挖卸荷作用,水平岩层掌子面所在环状区域应变能最大,且在开挖前后隧道周边不同位置都出现应变能突变;均质岩层开挖后应变能突变较小。2)应力路径中2种工况下最大主应力和弹性应变能的变化趋势一致,水平岩层中拱顶和拱底区域的应力差在开挖后不断增大,其他位置则在开挖到监测点所在断面时发生突变,造成岩石劣化,掌子面环状区域岩爆的风险增加。     

黏土一维剪切流变的等效时间线模型（双语出版）

为揭示变剪应力作用下黏土的流变特性,建立了一维剪切弹黏塑性模型。参照Yin等提出的等效时间流变模型的建模思路,将剪切应变速率分为弹性剪切应变速率和黏塑性剪切应变速率。弹性剪切应变速率与加载路径无关,用非线性函数模拟。而对于黏塑性剪切应变速率,首先基于Singh等提出的常剪应力作用下的蠕变速率经验公式推导黏塑性剪切应变、等效时间与剪应力之间的函数关系式;然后参照Yin等提出的等效时间法,把该关系式通过等效时间代入蠕变速率经验公式,获得以剪应力和剪应变为变量的黏塑性剪切应变速率式。弹性剪切应变速率式与黏塑性剪切应变速率式之和即为一维剪切流变的等效时间线本构关系式,再通过淤泥质黏土的分级加载试验和黄土的加卸载试验与该本构关系式剪切应变表达式之间的比较,验证该模型在变剪应力加载下的适用性。研究结果表明：所构建模型的预测曲线和分级加载试验曲线、加卸载试验曲线吻合较好,这说明该模型在变剪应力加载下具有较好的适用性;模型良好的预测性也说明其建模过程中用到的等效时间法不仅适用于一维压缩流变,还适用于一维剪切流变,拓展了等效时间法的应用范围。     

黏土一维剪切流变的等效时间线模型

为揭示变剪应力作用下黏土的流变特性,建立了一维剪切弹黏塑性模型。参照Yin等提出的等效时间流变模型的建模思路,将剪切应变速率分为弹性剪切应变速率和黏塑性剪切应变速率。弹性剪切应变速率与加载路径无关,用非线性函数模拟。而对于黏塑性剪切应变速率,首先基于Singh等提出的常剪应力作用下的蠕变速率经验公式推导黏塑性剪切应变、等效时间与剪应力之间的函数关系式;然后参照Yin等提出的等效时间法,把该关系式通过等效时间代入蠕变速率经验公式,获得以剪应力和剪应变为变量的黏塑性剪切应变速率式。弹性剪切应变速率式与黏塑性剪切应变速率式之和即为一维剪切流变的等效时间线本构关系式,再通过淤泥质黏土的分级加载试验和黄土的加卸载试验与该本构关系式剪切应变表达式之间的比较,验证该模型在变剪应力加载下的适用性。研究结果表明:所构建模型的预测曲线和分级加载试验曲线、加卸载试验曲线吻合较好,这说明该模型在变剪应力加载下具有较好的适用性;模型良好的预测性也说明其建模过程中用到的等效时间法不仅适用于一维压缩流变,还适用于一维剪切流变,拓展了等效时间法的应用范围。     

敞开式TBM安全快速通过隧洞强岩爆地层施工技术——以引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工段为例

岩爆为深埋隧洞施工的主要灾害之一,为有效解决敞开式TBM在强岩爆地层施工中安全风险高、效率低这一核心问题,依托引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM段在岩爆防治措施上的多年实践与研究,形成具有针对性的强岩爆防治技术体系。研究结果表明： 1）引进微震监测岩爆超前预测系统后,通过监测实施过程中数据的不断分析与修正,能大致推断出掌子面前方约15 m范围内围岩可能出现的岩爆等级; 2）采取合理的超前钻孔应力释放预处理措施,可以降低围岩出露TBM护盾后岩爆发生的规模与频率; 3）通过对治理工艺进行优化,可实现高岩爆风险区围岩的快速封闭; 4）采用合理的支护材料,能有效防止滞后性强岩爆对初期支护体系的破坏。系统的防治体系有助于强岩爆地层的施工安全管控,也可达到加快施工进度的目的,对类似工程具有一定借鉴意义。     

液压与气液复合加载洞室岩爆模型对比试验

为了探讨液压与气液复合加载条件下地下洞室岩爆现象的差异,选择具有明显脆弹性的石膏模型材料,制作了大尺寸模型试件,利用自主研发的气液复合型岩爆模型试验装置开展液压与气液复合加载洞室岩爆物理模型试验,模拟深部地下洞室开挖过程中的岩爆现象。采用应力应变测试、声发射监测及影像获取等方法,对试件加载过程中洞室的宏观破坏现象、洞室周边内部变形规律、声发射特征参数及裂纹的扩展进行分析。试验结果表明:洞室边墙和拱肩部位产生较大的应力集中区,洞室岩爆破坏顺序是先边墙,后拱肩方向,边墙和拱肩部位在极短的时间内出现裂纹及扩展,形成较大范围的层裂、剥落及弹射碎片,并伴随较大的声响;在相同的加载应力路径下,气液复合加载较液压加载破坏区范围更大,在本试验气液复合加载条件下,边墙破坏区范围大致为0.6b(b为洞室宽度);岩爆的发生及烈度与加载方法和破坏时能量的释放速率密切相关,采用气液复合加载的模型试件,在对应破坏点处应变具有明显的梯度变化,应变值显著高于液压加载试件,同时,声发射能量较液压加载具有明显的突变,岩爆的宏观破坏过程及现象更为明显,破坏程度更为剧烈。气液复合加载的试验方法更为符合实际工程岩体破坏过程的实际受荷。     

上软下硬地层盾构隧道围岩应力释放率研究

为解决盾构隧道在上软下硬地层中掘进时开挖面应力释放率难以确定的问题，基于一种既有的体积损失率迭代求解应力释放率的方法，依托广州地铁21号线盾构穿越上软下硬地层实际工程，通过数值模拟研究掌子面不同软硬岩比例、不同埋深条件下的应力释放率变化趋势，并结合现场实测资料进行对比分析。研究结果表明： 1）在盾构隧道掘进穿越上软下硬地层分界面的过程中，围岩的初次应力释放率范围基本保持在24%~36%，且随掌子面硬岩比例的增加呈线性增加趋势； 2）相对于围岩条件而言，埋深对应力释放率的影响更小。此外，在盾构隧道穿越上软下硬地层的全过程模拟中，根据围岩变化情况随不同开挖步动态调整应力释放率这一做法较全程取一固定应力释放率值更为合理。     

高填方压实土时效变形特征与长期沉降分析

为更有效地分析和预测高填方路堤的施工与工后沉降,重点考虑了路基压实土的超固结、剪胀等力学特性以及率敏性、蠕变等时间相依变形特征,结合室内土工试验分析了其力学特性的影响因素。以Hashiguchi提出的下负荷屈服面为参考屈服面,按相对过应力理论,建立了能反映超固结土剪胀、应变软化、应力历史以及时间相依变形特征的弹黏塑性本构模型;结合三轴剪切试验的结果确定模型参数,并通过固结蠕变和等应变速率三轴压缩两类典型的率敏性试验对模型进行了验证。将提出的超固结土弹黏塑性本构模型的应力积分算法通过UMAT子程序嵌入ABAQUS软件,使其成功用于某高速公路坝式路堤沉降问题分析。结合高填方路堤现场沉降监测结果研究表明:高填方压实土的超固结应力历史以及时间相依的流变性质对其变形有着显著影响,提出的超固结土弹黏塑性本构模型能模拟压实土的剪胀、应变软化以及时效变形特征,能应用于三维复杂条件下高填方路堤的施工及工后沉降计算,且沉降预测结果与现场观测数据吻合良好,具有较好的理论研究和应用价值。     

基于对数应变考虑渗流影响的软弱围岩圆形隧洞弹塑性解

为求解发生大变形时软弱围岩圆形隧洞的应力和位移，基于三剪应力统一强度理论和拉格朗日坐标下的对数应变，通过考虑施工期、运行期和检修期3种工况下主应力顺序以及渗流等影响，推导理想弹塑性模型软弱围岩的弹塑性解，并分析弹性模量、泊松比、孔隙水压力和强度准则4个参数对塑性区厚度和洞壁处径向位移的影响。研究结果表明： 1）施工期围岩塑性区厚度随弹性模量的增大呈现先增大后逐渐趋于一个稳定值（小应变解），而运行期围岩塑性区厚度随弹性模量的增大呈现逐渐减小后逐渐趋于一个稳定值（小应变解），洞壁处径向位移在施工期和运行期2种工况下均随弹性模量的增大逐渐减小； 2）施工期和运行期围岩塑性区厚度随泊松比增大几乎无影响，而洞壁处径向位移随泊松比增大呈线性增大； 3）施工期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移随孔隙水压力的增大而增大，而运行期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移随孔隙水压力的增大而减小； 4）不同强度准则下的塑性区厚度和洞壁处径向位移变化显著； 5）检修期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移变化规律与施工期类似。对于发生大变形的软弱围岩圆形隧洞，推导的弹塑性解与小应变解明显不同。     

深埋隧道岩爆预测及防治技术现状综述

为对岩爆现有预测及防治技术进行整理和总结,搜集深埋岩爆隧道的大量资料,统计分析已建、在建隧道发生大面积岩爆现象的原因、过程和特征,对岩爆规律、预测方法以及处置措施进行总结和分析。得出结论如下:1)在岩爆预测阶段,基于岩体物理力学性质的岩爆等级判别式具有一定通用性,判别标准的数值可应用于岩性、埋深相近的隧道;采用多个判别式可相互检验隧道的预测岩爆的准确性及特征,现场监控量测为制定判别标准提供了重要参考和有效性验证。2)细化岩爆防治阶段不同岩爆等级的应力解除方法:在轻微岩爆段,采用洒水或者灌水;在严重岩爆段,利用应力孔进行应力释放。3)总结提出不同等级围岩段落的初期支护参数,针对钻爆方法,通过对比总结,提出不同岩爆段落的开挖方法、进尺长度以及相应的等待时间。4)提出利用机器学习、大数据库、无人机、机器视觉、信号采集、多光谱兼热成像技术,实现岩爆预测信息采集及岩爆过程位移场、应变场的全过程监测;提出利用离散元能量迭代算法模拟岩爆过程的新技术。     

变质软岩区小净距隧道合理净距的探讨

以某小净距隧道工程为例,针对变质软岩强度低、可塑性强、围岩受力状态复杂且易出现较大塑性圈等特点,引入基于Mohr-Coulomb剪切屈服和拉伸屈服准则的屈服接近度函数,选取该隧道V级围岩隧道埋深30m条件下,对不同隧道净距的围岩应力、屈服接近度、收敛变形进行了数值模拟计算。结果表明,净距越小,中夹岩柱表现越敏感,且围岩应力、屈服接近度、收敛变形值与隧道净距呈非线性关系,并在某个净距值时发生突变后,随着净距增大,各项指标值均趋于缓和。最后提出各项指标值发生突变时的净距作为小净距隧道的合理净距。     

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。     

基于不同初始静偏应力的结构性软黏土动力特性试验研究

以天津滨海新区结构性海积软土为研究对象,采用GCTS动静扭剪试验仪,基于正弦波与方波两种波形,在固结排水条件下施加不同初始静偏应力,通过考虑循环振次、应力幅值、振动频率以及围压等因素对土体结构的影响,研究结构性软黏土的动力特性。试验结果表明:初始静偏应力小于土体初始屈服应力时,施加静偏应力增加了土体固结度,提高了其结构强度,应变软化现象减弱,累积塑性应变曲线中屈服点对应的应力值大。初始静偏应力大于土体初始屈服应力时,土体初始结构破坏,出现严重的应变软化现象,累积塑性应变曲线迅速由稳定型转变为临界型,且在同条件下,方波应变值始终大于正弦波。孔压变化与初始静偏应力有关,随着静偏应力增大其孔压滞后现象严重。土体屈服应变随初始静偏应力增大而增加,静偏应力及振次相同时,方波作用下的土体屈服应变值小于正弦波。两种波形下,土体屈服应变随振次增加均呈减小趋势,且最终均会趋于一点,正弦波趋于相同数值下的振次远大于方波。土体动强度随应变标准提高而呈现增大趋势,应变标准为屈服应变值时,动强度曲线表现为先陡后缓,其他应变标准下动强度曲线较为平缓。两种波形下的动强度随振次增加而减小,最终均会趋于一点,且正弦波值大于方波。     

公路隧道最优开挖方法探讨分析

结合隧道洞口过渡段不合理的开挖方式极易导致洞口段塌方的现状,以承赤高速公路第十九标段锥子山1号隧道右线工程为依托,通过FLAC~(3D)数值模拟的方法对V_2级围岩浅埋隧道采用单侧壁导洞法、预留核心土法、双侧壁导洞法、台阶法等4种开挖方法进行研究,通过对比分析隧道围岩位移与应力、衬砌结构位移与应力、塑性区体积,得出以下结论:单侧壁导洞法开挖会造成偏压,所得偏压量可为以后类似地质条件隧道开挖提供参考;开挖方法是否适合工程条件与其应力释放率大小及释放集中程度有直接关系,初步推断应力释放率有与围岩位移成正比、与围岩应力成反比的关系;双侧壁导洞法应力释放缓和,围岩、衬砌、锚杆位移与应力控制均是4种方法中最优的,塑性区发展控制也较为理想,认定为V_2级围岩浅埋隧道开挖最合理方法。     

列车荷载-地下水耦合作用下隧底围岩强度参数劣化规律研究

为探明列车激振荷载-地下水耦合作用下隧底围岩强度参数劣化特征及列车荷载、地下水压力、围岩级别对围岩颗粒流失影响规律,采用PFC 数值模拟方法分析不同影响因素对围岩颗粒流失量的影响规律,给出颗粒流失率计算公式; 探明不同颗粒流失率条件下围岩弹性模量、峰值强度劣化特征,得到劣化后强度参数计算公式。研究结果表明: 1)围岩自身完整程度、列车轴重、地下水压力三者均与围岩颗粒流失量呈正相关关系,且三者对颗粒流失影响程度依次降低; 2)颗粒流失率与列车轴重、地下水压力三者之间呈二次曲面关系,给出围岩颗粒流失率计算公式; 3)随颗粒流失率增加,围岩应力应变全曲线中弹性变形阶段逐渐减小, 塑性变形阶段逐渐扩大,全曲线特征由弹塑性逐渐向塑性转变; 4)围岩弹性模量、峰值强度均随颗粒流失率增加呈指数衰减,得到劣化强度参数计算公式。     

基于D-P准则的深埋隧道破碎化分区规律研究

深部洞室开挖因应力重分布而使围岩出现松动区、塑性区、弹性区,基于D-P准则对深埋隧道围岩破碎化分区提出划分准则,利用ANSYS软件分析不同埋深3个区域发展状况并与规范推荐荷载高度进行对比,揭示埋深对松动区、塑性区半径的影响。研究结果表明,Rp,Rc与埋深H近似呈线性关系,与芬纳公式走向基本一致;当埋深超过某一临界埋深时,松动区迅速发展而呈现指数型增长;松动区分布形态及范围随埋深不同而呈现明显差异。