基于突变理论的隧道自稳能力量化研究

为了研究深埋隧道的自稳能力,基于公路隧道设计规范(JTG D70—2004),将强度折减法和突变理论相结合,提出了一种量化隧道自稳能力的方法,计算出Ⅱ级围岩下隧道的自稳能力系数k_0,作为衡量隧道是否能够自稳的定量指标。然后研究了隧道埋深和侧压力系数对隧道自稳系数的影响,最后求出在Ⅲ、Ⅳ级围岩下隧道的自稳系数,与k_0的差值定义为支护补给系数,给出各级围岩相应支护的定量描述,为隧道支护设计提供一种新的思路。     

连拱隧道穿越大型溶槽动态施工力学分析

在岩溶地区隧道建设中,经常遇到溶槽、溶管、溶洞等岩溶地质问题.目前对隧道穿越溶槽时围岩的变形特征及其稳定性研究较少.结合岩溶地区某连拱隧道穿越大型溶槽的施工过程开展岩石力学试验和隧道动态施工力学三维模拟,对连拱隧道围岩位移、应力、塑性区特征进行分析和评价,为岩溶地区连拱隧道围岩稳定性分析和溶槽处治方案设计提供依据.     

小净距隧道围岩整体稳定性的下限分析

小净距隧道围岩的整体稳定性分析,目前分析研究比较少。运用边坡稳定性分析适用的强度折减原理进行评价小净距隧道围岩整体稳定性,以围岩塑性区贯通、位移突变或位移超过规范值与计算不收敛3种方法综合作为围岩失稳破坏的判据。通过计算分析可知在不同的折减系数下塑性区贯通基本与位移突变同步,且早于位移超过规范值及计算不收敛。塑性区贯通为围岩破坏失稳的必要非充分条件,故采用塑性区贯通作为强度折减法判据所得为围岩整体稳定性系数的下限解。利用塑性区贯通作为判据,得到戴峪岭2号小净距隧道围岩整体稳定系数下限值约为2．7,表明该隧道具有足够安全储能。     

连拱隧道穿越大型溶槽动态施工力学分析

在岩溶地区隧道建设中,经常遇到溶槽、溶管、溶洞等岩溶地质问题。目前对隧道穿越溶槽时围岩的变形特征及其稳定性研究较少。本文结合岩溶地区某连拱隧道穿越大型溶槽的施工过程开展了岩石力学试验和隧道动态施工力学三维模拟,对连拱隧道围岩位移、应力、塑性区特征进行进行了分析和评价,为岩溶地区连拱隧道围岩稳定性分析和溶槽处治方案设计提供依据。     

隧道开挖跨度对围岩级别的影响研究

为进一步提高公路隧道围岩级别判定的准确性,以围岩位移作为围岩自稳能力的评价依据,探讨洞室跨度对公路隧道围岩级别的影响.通过数值模拟方法,对公路隧道两车道、三车道和四车道3种断面尺寸,Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级和Ⅵ级6种围岩级别进行了模拟开挖,以围岩位移值增加幅度作为围岩稳定降低程度的评价依据,探讨不同围岩质量下跨度对...     

不同初始地应力条件下节理岩体隧道稳定性分析

围岩稳定性评价是隧道工程建设中最重要的内容,现有的稳定性判据多是针对均质岩石或土体而言的,尚缺少针对节理岩体隧道提出的判别指标。文章采用离散元数值模拟方法,以探索合理稳定性判据为目标,对不同地应力条件下节理岩体隧道的稳定性进行了深入研究。研究结果表明:(1)均匀应力场条件下,隧道围岩受拉屈服塑性区与节理张开区的分布相似,岩体节理滑移破坏区明显大于围岩塑性区和节理张开区;(2)侧向压力系数对围岩屈服区的影响较小,而对节理剪切滑移破坏区的影响却非常显著,因此以节理滑移破坏区作为节理岩体隧道稳定性的判别指标更加科学合理。     

深埋隧道围岩与支护结构相互作用的非线性动力学特性研究

为了充分了解围岩与支护结构动力系统的变化特征,根据现场实测数据分析深埋隧道的围岩稳定性,对提取的时间序列进行相空间重构,计算了关联维数,定性分析了系统的混沌动力学特性.进一步应用反演理论,建立了深埋隧道围岩系统的非线性动力学模型,通过模型逼近,获得待定参数和正演模型的各变量,定量的分析了系统的混沌动力学特性,结果表明,各变量计算与实测的分布曲线非常接近.利用该模型可较好地预测在高地应力条件下围岩与支护结构系统各特征变量的变化规律.     

山岭隧道洞门段衬砌结构动力响应及震害机理研究

以汶川地震中遭遇严重破坏的烧火坪隧道为背景,建立三维有限元数值模型研究洞门浅埋隧道结构在地震作用下的动力响应特性。同时,为真实反映岩土体及混凝土衬砌结构在强震作用下的屈服变形及损伤破坏过程,在数值计算中引入Drucker-Prager屈服准则及混凝土损伤本构模型。根据数值计算结果对衬砌应力响应及结构损伤破坏分布特征等进行分析,并与现场震害模式进行对比讨论。研究结果表明:隧道洞门浅埋区域主要以拱腰及拱肩区域的受拉破坏为主,结构稳定性及破坏主要受第一个地震动峰值段控制;破坏程度随着隧道纵深的增大而逐渐降低,并在距离洞口约40 m处趋于稳定;隧道拱腰两侧围岩屈服破坏导致刚度降低是造成衬砌拱腰应力增大及破坏的主要原因。     

软弱围岩条件下新建隧道下穿浅埋隧道安全及稳定性研究

随着大量城市公路隧道和地铁隧道大规模的建设,在城市隧道施工过程中,往往会遇到需要穿越既有隧道的工程难题,这类下穿工程对既有隧道的安全形成了严峻的考验,成为城市隧道建设中等级最高的风险工程。软弱围岩条件下新建隧道下穿浅埋隧道工程更是此类工程中风险等级更高的工程,针对新建隧道下穿浅埋既有隧道进行了详细地安全与稳定性分析,详细研究新建隧道的开挖对既有隧道造成的影响,为此类复杂工程问题的解决提供了一种新的解决方法。该方法避免了传统经验类比法以及单纯进行应力、位移分析的不足,系统地对此类问题进行了分析。     

公路隧道围岩结构面调查分析

结构面是岩体的重要组成部分,是岩体区别于其他工程介质的本质差别。结构面的存在使岩体具有不均一性及各向异性,岩体的破坏机理在很大程度上受结构面的控制。而公路隧道围岩结构面的几何学及力学特征的调查研究是进行围岩稳定性扣隧道渗流分析的前提。文中在对江西省景德镇某高速公路隧道岩体结构面调查的基础上,利用DIPS、Excel等软件对各种结构面进行了统计分析,旨在弄清围岩结构的总体特征,找出优势结构面,为公路隧道围岩稳定性分析与渗流计算提供科学依据。     

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。     

大跨度层状软岩公路隧道现场监测与分析

为了揭示超大跨度隧道在施工过程中的围岩应力和变形演化规律,获取施工全过程支护体系内力、变形等力学性态,从而对稳定性做出评价,本文依托十堰市武十高铁十堰北站至武当山机场公路工程李家院隧道,开展超大跨度公路隧道施工监测,介绍了李家院隧道现场监测项目、手段和方法,通过监测数据分析得到了李家院隧道围岩变形、围岩压力和二衬压力随时间的变化规律。结果表明:隧道拱顶沉降稳定在6mm,洞周收敛稳定在4mm,围岩变形的稳定时间在1个月左右;依托工程存在明显的偏压现象,钢拱架左侧发生局部屈服。     

硬质围岩隧道控稳结构面初步分析及应用

为解决在硬质围岩隧道中快速连续施工,对连云港东疏港高速公路后云台山隧道塌方掉块进行全面系统地分析,探讨在硬质围岩隧道中塌方掉块的各种形式,说明控稳结构面的存在是塌方掉块产生的关键因素,并归纳提出控稳结构面预测方法。通过分析可知,利用控稳结构面预测方法配合超前地质预报手段,并采取有效加固围岩等措施能够预防和减少硬质围岩隧道塌方掉块事故的发生。     

软弱围岩隧道不同施工方法数值分析研究

针对软弱围岩强度低,变形大,自稳性差等特点,以某铁路隧道为工程背景,采用数值模拟和现场监测相结合的方法对软弱围岩隧道不同施工方法下围岩的变形和受力进行分析研究,结果表明:隧道分别采用三台阶法、CD法和双侧壁导坑法开挖,围岩的变形规律基本相似,大致分为快速变形、缓慢变形和基本稳定3个阶段,且隧道掌子面空间效应的影响范围约为1.3～5倍的洞径;双侧壁导坑法开挖隧道相比三台阶法和CD法开挖隧道,围岩的变形速度较慢,变形量较小,围岩应力较低,其数值模拟计算结果与现场实测吻合度较好,双侧壁导坑法最适合软弱围岩隧道开挖。     

隧道支护结构与抗震层及围岩系统抗震性能研究

基于刚度匹配原理,提出抗震层概念,即设置在隧道支护结构与围岩之间的泡沫混凝土层,其刚度介于隧道衬砌刚度与围岩刚度之间。并提出采用损伤指标和能量指标进行强震作用下隧道结构的抗震安全评价,包括利用损伤指标反映隧道抗震薄弱部位的损伤累积和渐进破坏过程。通过有无抗震层的隧道结构抗震安全评价,考察抗震层的抗震效果,研究结果对高烈度地震区隧道的抗震设计具有借鉴作用。     

软弱破碎围岩卸荷特性与施工要点研究

针对隧道软弱围岩开挖卸荷特性,以5%的水泥改良土模拟软弱围岩,在全断面及两台阶开挖两种工况下,分析了隧道模型围岩时效特性,结果表明拱顶主要是竖向位移变化,拱腰为横向位移变化,双台阶开挖比全断面开挖围岩自稳性更好;总结了软弱围岩隧道施工技术要点,可为类似工程提供参考。     

复杂节理岩体对榆佳高速公路某隧道的初喷支护作用机理研究

节理的产状和隧道轴线夹角的不同会极大地影响隧道的稳定性.以榆佳高速公路某隧道为研究对象,利用UDEC离散元软件,建立了0°、85°、120°和150°单层层状节理模型,以及由3组层状节理切割的复杂模型;设计了0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 MPa初喷混凝土接触面黏聚力计算工况,5、8、10cm初喷厚度计算工况.经计算,对比不同工况的塑性区、应力和监测点位移值,发现:单层节理条件下,节理倾角β对隧道稳定影响不大,0°时塑性区最大,最大位移5.6cm,围岩没有掉块,围岩自稳,无需支护;其余倾角隧道均能自稳,位移不大于1cm.黏聚力大于0.6MPa为临界值,大于其隧道围岩自稳,洞顶位移值小于1 cm,否则会出现掉块.初喷厚度8cm为临界值,大于其隧道围岩自稳,洞顶位移值小于1cm,否则会出现掉块.上述特征值均在单因素变化、其余参数参照基准值条件下获取,这些可以作为隧道设计的极限参考值.     

注浆压力作用下隧道围岩变形规律与安全控制

注浆是隧道围岩加固与涌水封堵的主要技术手段,当围岩较为破碎且自稳能力较差时,注浆过程中若采取了不合适的注浆压力,极易造成围岩大变形甚至塌方等次生灾害。基于渗流-应力耦合理论,选取典型隧道开挖断面,建立注浆作用下渗流场与应力场数学模型,运用COMSOL多物理场耦合软件分析注浆过程中注浆压力作用下隧道围岩的变形规律。结果表明,围岩等级为Ⅴ时,注浆过程中注浆压力不断向隧道周围地层中扩散与传递,渗流场、应力场分布随注浆孔深度增加呈现衰减趋势; 随着注浆压力的提高,应力发生急剧变化,并不断地向围岩深部转移; 注浆初期,围岩变形速率急剧上升,注浆后期围岩变形速率下降,且变形量趋于稳定。依托具体工程实例,提出了合理选择注浆压力的控制技术,保证了围岩的稳定和安全。     

基于掌子面结构量化的公路隧道围岩分级方法

公路隧道围岩级别的划分是指导隧道设计、施工及地下工程岩体稳定性评价和安全风险控制的重要依据,目前在设计和施工中对隧道围岩级别的判定方法具有较多的经验性因素,且在实际隧道工程中各级围岩的稳定性情况极为复杂,即使是同一级别的围岩,隧道稳定性也不尽相同。为了实现施工阶段围岩分级的可操作性与准确性,通过研究在公路隧道开挖时采集的隧道掌子面图像,利用MATLAB编程建立了照相测量围岩分级系统。根据岩体块度指标RBI的概念,向隧道轮廓线依次布设19条虚拟测线,以掌子面径向19个方位的RBI值综合评价了掌子面岩体结构的差异性。考虑结构面分布特征,结合掌子面节理玫瑰花图获取岩体结构综合量化指标Z-RBI,对掌子面进行了综合评价,得出了Z-RBI与岩体结构类型对应关系。综合考虑岩体坚硬程度、Z-RBI、地下水条件、初始地应力状态等主要分级指标,利用层次分析法,提出了隧道围岩BT分级方法及评价标准。实际工程应用表明:与传统的BQ法相比,BT分级方法获取的围岩等级更符合开挖后掌子面围岩的实际等级,且各等级可靠指标的延续性可对隧道施工过程中地质属性的变化情况进行定量表征,有助于工程地质人员据此对围岩质量的渐变过程进行动态评估。     

软弱围岩隧道机械化全断面爆破开挖初期支护受力特性研究

软弱围岩隧道开挖后自稳能力差,易发生大的变形、钢架扭曲等现象。为降低安全风险,依托郑万高铁高家坪隧道进口机械化全断面爆破施工,对支护体系下的围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力、锚杆轴力、围岩内部位移、掌子面挤出变形等进行系统试验研究。试验结果表明： 围岩压力、钢架应力、初喷混凝土应力受岩性条件、施工扰动等因素影响显著,随时间推移均呈现“急剧增大、缓慢增大、波动变化、稳定收敛”的变化规律; 通过锚杆轴力峰值位置可以初步判定围岩塑性区范围约为距洞壁3.0 m。基于现场试验监测,通过数值模拟分析了初期支护结构压应力、轴力和弯矩的分布情况,与现场量测数据相符,较好地反映了初期支护受力特征。本次试验的相关方法、手段和结论对隧道机械化大断面施工软弱围岩变形与支护体系受力研究具有借鉴作用,同时也为建立科学合理的支护结构体系提供了参考。