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...     

深埋硬岩隧洞围岩变形量分形结构研究

针对深埋硬岩隧道围岩变形及地质灾害等问题,文章基于分形理论的计算方法,对锦屏二级水电站深埋引水隧洞施工过程中的围岩变形量进行了分形特征研究。结果表明:深部岩体隧洞开挖施工过程中,围岩的形变在时间上是具有分形特征的,而且呈现出较好的自相似结构特征;在同一埋深的条件下,分形维数最大值在隧洞拱顶部,其次在拱肩,边墙分形维数最小;埋深在500～1 800 m外,围岩灾害发生的频率同样随隧洞深度增加而明显呈现出增长的趋势;但当隧洞埋深在1 800 m范围之外时,变形量分形维数及围岩灾害发生的频率趋于稳定,受到埋深的影响很小。     

尼泊尔喜马拉雅地区塔玛科什3级水电工程——穿越软弱构造片岩修建隧洞所面临的挑战

由于尼泊尔喜马拉雅地区岩石强度较低,水平应力较高,因此在该软弱构造片岩带中开挖隧洞具有较大的挑战性.文章主要阐述装机容量为650 kW的塔玛科什3级水电工程17km长大跨度隧洞和大型地下发电厂房(这两项工程计划穿越夹杂有软弱构造片岩带的坚硬眼球状片麻岩区域)所面临的重大技术挑战.穿过片岩带开挖的隧洞长度约占总长的15％,由于此岩层带岩石强度较低,具有剪切特性和渗流现象,且水平应力较高,围岩挤压和隧洞塌方都是可预期的问题,因此该工程地下开挖主要关注的问题是大尺寸隧洞的可施工性和工期.为了解决可预期问题,进行了更进一步的研究,主要集中在隧洞最大可建尺寸、方位、减少围岩挤压的开挖方法,以及地下发电厂房稳定性和合理岩石支护设计上.研究发现,在构造片岩带中可施工的全断面隧洞最大尺寸可达9m,为改进的马蹄形(有弧形仰拱).通过对隧洞三种不同方位方案(即正交、斜交、平行)的分析发现,与叶理面正交的方案最佳,可减少围岩挤压近50％.     

盾构隧道开挖面失稳破坏影响因素数值分析

采用数值模拟的方法探析了隧道开挖面水平位移随支护应力比的变化规律,并以隧道开挖面主动失稳破坏为分析对象,重点分析了隧道埋深、土体粘聚力及内摩擦角对开挖面位移及极限支护应力影响,结果表明：随着支护应力减小,隧道开挖面位移迅速增大,由“半圆形”大应变区发展为“烟囱形”破坏区;随着支护应力比的减小,隧道开挖面土体由弹性变形过渡到塑性变形,直至发生主动失稳破坏。当隧道埋深在2D内时,随着隧道埋深增大,隧道开挖面主动极限支护力基本不再增大且有趋于定值的趋势,这与“土拱”效应有关。隧道开挖面主动极限支护力随土体内摩擦角和粘聚力的增大而减小,土体的内摩擦角比土体的粘聚力对隧道开挖面主动极限支护应力影响更大。     

尼泊尔那苏瓦卡里水电站地应力测量及围岩破坏机理分析

尼泊尔那苏瓦卡里水电站隧洞工程大部分埋深较大,在高地应力状态下很可能会面临软岩变形和硬岩岩爆等复杂地质灾害。文章采用水压致裂法对尼泊尔那苏瓦卡里水电站进行了三维地应力测量,测点处的最大主应力为10.47 MPa,方位角为18°和15°,近水平;中间主应力为9.01 MPa,方位角和倾角分别为158°和71°,倾角较大;最小主应力为6.34 MPa,方位角和倾角分别为285°和12°。工程区现今地壳应力场表现为构造应力起主导作用的基本特征,工程区地应力状态为中等应力水平。根据测量结果对隧洞围岩破坏机理进行了研究,结果表明,隧洞围岩破坏形式为劈裂剥落,隧洞轴线与主应力方向大角度相交以及中等偏高的应力水平是导致围岩发生破坏的主要原因。     

地下隧洞工程弹性反演唯一性的探讨

对于地下隧洞工程,依据完备的量测信息开展弹性反分析,可望唯一反演确定岩土力学参数.文章利用平面弹性复变方法和一般弹性理论推导出任意形状隧洞的位移、应力解析表达式;基于隧洞围岩位移、应力解析解,依据参数可辨识条件探讨了地下隧洞工程弹性反演参数的唯一性,并通过算例进行了验证.研究表明,依据完备的量测信息开展弹性反分析,只要测点布置方式适当,反演参数满足相应的限定条件,五个参数(σv、σh、τ、E、μ)和同时反演具有唯一性.参数反演唯一性对参数的限制条件及对测点布置方式的要求受隧洞形状复杂性的影响,随着隧洞复杂性的提高对参数的限制条件大为减少,对测点布置方式的要求也会降低.算例结果表明,结论是正确的.     

软弱围岩特大跨度隧道模型试验技术及应用

利用大型地质力学模型试验台架开展软弱围岩特大跨度隧道开挖模型试验的技术研究,主要包括软弱围岩相似材料的配制方法、模型试验台架及加载系统、围岩应力量测系统及围岩位移量测系统。采用单点薄膜压力传感器进行围岩应力量测,具有准确、灵敏和扰动小等特点。文章基于光栅尺与PIV的围岩位移量测技术,开展了一组软弱围岩特大跨度隧道毛洞开挖模型试验,研究隧道开挖对围岩应力场和位移场的影响规律。结果表明,模型试验系统具备优良的操作性能及先进的测试水平,可满足大型岩土模型试验研究需要,对实际工程有一定的指导意义。     

引水隧洞破碎带超前固结灌浆效果分析

引水隧洞穿越富水区并含有断层软弱破碎岩层时,常常会发生坍塌及大变形。文章针对干河泵站地下引水隧洞的复杂地质环境,提出了三维渗流应力损伤耦合的计算方法和显含断层薄层单元的模拟方法,计算模拟了引水隧洞复杂地质条件下超前固结灌浆后的开挖支护过程,定量评价了不同工况下引水隧洞围岩整体相对稳定状态,分析对比了有无超前固结灌浆下围岩破坏区分布及洞周变形变化规律。结果表明:超前固结灌浆后的围岩破坏和洞周位移变化情况明显减小;洞周围岩总破坏体积减少了1 252.9 m3,降低了43.98%;而断层处洞周位移最大值减小了54.92%。超前固结灌浆对断层破碎岩体的整体稳定有显著地改善。     

开挖工况对偏压连拱隧道结构及上覆山体稳定性的影响

文章采用弹塑性有限元数值模拟,对不同开挖工况下地形偏压连拱隧道围岩及主体结构的应力场、位移场、破坏区分布进行了分析,研究了开挖工况对隧道上覆山体稳定性的影响。分析表明,当先开挖浅埋侧隧道时,围岩、结构及上覆山体稳定性都要优于先开挖深埋侧隧道的方式,其计算结果可为同类隧道的设计、施工提供有益的参考。     

V级围岩隧道不同施工阶段拱顶极限位移研究

现有的极限位移及其管理基准主要是针对普速铁路隧道断面在支护封闭后的工况,大多没有考虑隧道施工的阶段性。文章以现有V级围岩高速铁路隧道采用三台阶法施工为例,采用FLAC3D软件模拟不同施工阶段拱顶位移,通过尖点突变理论得到不同施工阶段的拱顶极限位移。结果表明,V级围岩隧道采用三台阶法施工时,上台阶开挖对隧道最终拱顶极限位移贡献率最大,中台阶次之,下台阶及仰拱段开挖几乎无影响;在50～300 m计算埋深条件下,V级围岩隧道同一施工阶段的拱顶极限位移与埋深都呈线性关系。同时采用灰关联分析了不同围岩参数对极限位移的敏感性,得到对拱顶极限位移影响程度由大到小的顺序为:围岩密度ρ、弹性模量E、粘聚力c、泊松比μ、内摩擦角φ。     

盾构通过矿山法隧道复合支护的管片内力解析解及应用

文章针对"矿山法+盾构法"施工形成的复合支护体系,提出了模型分析的基本假定,将初始地应力分解为静水应力作用和拉压偏应力作用,并通过围岩应力释放系数反映支护时机和开挖面空间效应,利用弹性力学理论推导出了两向不等地应力条件下管片弯矩和轴力的弹性解析解;进而结合深圳地铁某区间隧道的工程实践得出了围岩应力释放系数、侧压力系数、背填层厚度和背填层弹性模量等参数的影响特性,为此新型工法的推广及复合支护的管片设计提供了理论支持。     

黄岛地下水封洞库地应力对裂隙岩体渗透特性影响研究

裂隙岩体渗透特性是评价地下水封洞库水幕系统水封效果的核心内容,而裂隙岩体总是赋存于一定的应力场和渗流场中,因此,研究地下水封洞库地应力对裂隙岩体渗透特性的影响具有重要意义。文章以黄岛地下水封洞库建库围岩为例,首先介绍了裂隙岩体渗流运动的基本规律及应力对渗流作用的影响机理;在此基础上,通过水压致裂法和压水试验分别得到了研究区岩体地应力、渗透特性参数及其随孔深的分布规律,并通过回归分析建立了裂隙岩体渗透系数与地应力关系表达式。结果表明,渗透系数随地应力增大而逐渐减小,并呈负指数变化规律。最后分析了渗透系数与地应力呈负指数关系的主要原因。该研究结果可为地下水封洞库埋深设计、水幕孔布置等提供参考。     

深埋软岩隧洞围岩变形控制方法

变形控制是软岩隧洞稳定性调控的主要手段,规范和现有文献均给出了变形和变形速率控制指标或方法,但绝大部分成果是依据浅埋隧洞经验总结而得,不能很好地适用深埋隧洞围岩变形压力大的情况,且仅侧重变形收敛判断,无法据此起到施工过程及时调控或者将其作为调控依据的作用。文章针对此问题,在对深埋绿泥石片岩隧洞挤压变形洞段围岩变形特征分析的基础上,建立了多变形指标围岩稳定控制方法,并以变形量和变形速率为主要指标,辅以变形和变形速率模式分析,可考虑施工过程中围岩变形的时空效应,对围岩稳定性进行及时调控,避免了深埋软岩隧洞围岩挤压变形问题的出现。研究成果可为深埋软岩隧洞施工开挖过程中围岩稳定调控提供有效技术手段。     

考虑蠕变与渗流作用的软土基坑开挖模拟研究

为研究渗流与蠕变的相互耦合作用对软土基坑开挖的影响,文章以深圳地铁11号线前海湾站基坑工程为背景,基于FLAC~(3D)中的渗流和蠕变分析模式,对不同计算条件下软土基坑的桩后水压力、桩位移、地表沉降以及坑底隆起等的变化规律展开研究。研究结果表明:(1)渗流和蠕变作用均会对基坑开挖变形产生较大影响,只有综合考虑这两者间的相互影响,才能保证基坑开挖模拟计算结果与实际相符合;(2)基坑开挖过程中,基坑两侧桩最大位移值和位置都与开挖时间呈指数衰减关系,而基坑两侧地表最大沉降除会在每次降水过程中急速增大外,其余时段则与开挖时间保持相对缓慢的线性增长关系;(3)随着潜水水位埋深的增加,基坑两侧地表最大沉降和桩体最大位移都将线性减小。     

爆破地震波作用下直墙拱形隧洞围岩质点振速响应特征研究

根据直墙拱形隧洞爆破振动速度的现场监测数据,文章分析了邻近岩体爆破开挖诱发的隧洞围岩质点振动速度分布规律。在此基础上,采用数值模拟方法研究了在爆破P波作用下邻近隧洞围岩的质点振动速度的缩放效应并分析了其主要影响因素,对比分析了振动速度缩放效应与动应力集中效应的差异。计算结果表明,在P波作用下直墙拱形隧洞靠近振源一侧围岩的质点振动速度大于振源振动速度,而另一侧质点振动速度则小于振源振动速度,围岩质点振速较大的区域的动应力集中系数较低,而围岩质点振速较小区域的动应力集中系数较高。     

基坑开挖引起邻近既有地铁隧道位移计算的研究

文章考虑基坑坑底和侧壁的开挖卸荷应力以及坑底围护结构的遮拦效应,基于Mindlin位移解公式,提出了一种半解析半经验解方法,推导得到了基坑开挖引起邻近既有隧道位移的计算公式,分析了基坑尺寸、与隧道相对位置的改变以及加固控制措施对既有地铁隧道位移的影响。研究结果表明:隧道的水平和竖向位移随着隧道埋深的加大而有所增加;随着基坑与隧道净距的减小,隧道位移则明显增大;基坑开挖长度的增加对隧道位移影响较小,而基坑开挖宽度和开挖深度会对隧道位移产生明显影响;该方法可以考虑加固控制措施的效果,随着基坑围护结构应力损失率的减小,隧道最大水平位移呈线性减小,但隧道竖向位移变化不大。     

城市大断面浅埋隧道中导洞法施工安全性评价——厦门国际旅游码头隧道

厦门国际旅游码头隧道虽然全长仅110 m,但存在隧道埋深浅、围岩条件差、开挖跨度大等不利条件。隧道采用中导洞法施工,施工中进行了位移、初期支护应力、初期支护与围岩接触压力、锚杆轴力等现场监测,监测结果及分析表明:该工法安全、可靠,施工方便。文章介绍了该隧道的工程概况、施工方法、施工监测结果及分析,可供类似工程借鉴。     

大伙房输水隧洞混凝土衬砌层的地震响应分析

文章结合大伙房输水隧洞二期工程,考虑围岩与衬砌层、水体与衬砌层的相互作用,采用现代岩体力学模型,对其进行模态分析和时程分析,分析了混凝土衬砌层的动力特性和地震响应,探讨了埋深、衬砌厚度、围岩弹性模量和水体等因素对混凝土衬砌层地震响应的影响;并指出衬砌层的环向应力是地震破坏作用的主导,埋深和围岩弹性模量是影响衬砌层地震性能的重要因素,衬砌厚度和水体的影响较小。     

楔形体模型的简化计算方法

目前用于求解盾构开挖面极限支护力的理论计算公式参数都较多且计算较为繁琐。文章基于目前使用较为普遍的楔形体理论计算模型对极限支护力的简化计算方法进行了研究。研究发现:当砂土的内摩擦角在20°~70°范围内时,其计算值的对数Inσ_T与砂土的内摩擦角ψ近似呈线性关系;而且在不考虑地面附加应力的影响下,当砂土的重度、盾构开挖面直径和盾构埋深不同时,lnσ_T与ψ的关系曲线近似平行。文章通过线性拟合的方法,在一定范围内通过引入砂土重度影响系数a、盾构开挖面直径影响系数6和埋深影响系数c得到了考虑砂土重度、盾构开挖面直径和埋深等因素影响的盾构开挖面极限支护力的简化计算公式,简化了盾构开挖面极限支护力的求解过程。     

盾构隧道施工引起的土体变形分析

文章基于弹性半无限空间内的Mindlin解,通过分析侧压力对沉降槽的影响,对地表沉降槽的组成进行了分析,并对单线隧道地表位移的影响参数进行了系统的敏感性研究。其中,地层弹性模量、泊松比、隧道埋深、应力释放系数的改变会影响土体损失,而泊松比、隧道埋深、侧压力系数的改变则会影响沉降槽宽度参数。最后对不同深度地层受隧道施工影响的地层损失和沉降槽宽度参数进行了分析,由于所受约束的不同,与地表水平位移相比,地层中的水平位移明显减小。