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。     

不同地质条件浅埋偏压小净距隧道施工力学效应研究

在不同地质条件下浅埋偏压小净距隧道的施工力学效应会有很大不同,尤其在半软半硬岩层中,隧道开挖会破坏软硬岩层交界处软弱围岩的稳定性,其施工力学效应更为特殊。文章采用有限差分软件FLAC3D对15种工况下隧道开挖进行了模拟,对均质硬岩、均质软岩和竖向半软半硬岩中不同净距隧道的拱顶沉降、中岩墙的水平位移、中岩墙最大主应力和围岩塑性区进行了分析。结果表明,均质硬岩隧道拱顶沉降最小,竖向半软半硬岩隧道拱顶沉降和硬岩比较接近,软弱围岩隧道拱顶沉降最大;竖向半软半硬岩隧道中岩柱上部围岩稳定性较差,中部水平位移最大;隧道开挖引起软岩侧洞室上覆盖层围岩稳定性变差,可能引起隧道坍塌。     

基于拱部CD法修筑的土岩复合地层双层初期支护拱盖法隧道结构稳定性研究

文章以青岛地区典型的"上软下硬"土岩复合地层为工程地质背景,在充分调研、统计、归纳地层纵深岩土体力学参数的分布规律及特征的基础上,以初期支护拱盖"拱脚岩跨比"作为控制变量,建立拱部CD法修筑的拱盖法隧道结构稳定性分析模型,对不同拱脚岩基岩性+覆岩厚度组合下的结构变形规律和拱脚岩体塑性区分布特征进行分析、总结,提出了相应...     

盾构隧道环间接头抗弯刚度计算及其影响因素研究

为得到盾构隧道纵向梁-弹簧模型中环间接头抗弯刚度的计算方法,文章以志波模型为基础,采用解析方法分别推导了纯弯、拉弯条件下环间接头抗弯刚度的解析公式,并据此对各影响因素的敏感度及影响方式开展定量分析。结果表明:盾构隧道环间接头抗弯刚度的影响因素主要有幅宽、断面尺寸、环间螺栓参数以及纵轴拉力等,其中断面尺寸对环间接头刚度影响最大,环间螺栓参数次之,幅宽影响最小;纵轴拉力对环间接头抗弯刚度的影响方式与前述因素不同,在其作用下,环间接头抗弯刚度表现出显著的非线性特点,环间接头抗弯刚度与纵向弯矩、纵向轴力在三维空间中呈现"台阶状"曲面形态,其量值维持在上、下台阶面对应的量值之间;当环间接缝面在拉弯作用下完全张开时,环间接头抗弯刚度相比接缝面部分张开时被削弱约40%。     

深部采动围岩宏观变形破坏的力学演化规律

为了研究深部采动围岩变形失稳的宏观破坏特征和应力分布的时空演化过程,文章采用计算机数值模拟和实验室相似模型试验方法,探讨了深部采场顶板裂隙场、覆岩位移场和围岩应力场的力学演化规律。结果表明:深部采动围岩经历了瞬时突变、间跃发展、循序卸载、连续传递的渐变破坏过程,覆岩裂隙场具有卸压失稳、起裂张开、萌芽发育、渗透贯通、萎缩拟合、封闭稳定的时空演化特征。岩层运移呈现出较强的"临位空间效应":顶板围岩离煤层越近,位移测线的影响越为强烈,空间影响的范围越为集中,岩层连续移动的阶段可控性越弱;反之顶板岩层距离煤层越远,临位空间的影响机制减弱,覆岩下沉量变小,应力传递与荷载转移的灵动性渐趋惰性。深部采动围岩的应力分布具有近场力学效应影响显著、远场力链承载体系减弱的区间性演化特点,围岩应力短时间内的骤然增大和不规则开采引起的高应力集中叠加效应是诱发采场冲击性动力失稳灾害事故的力学根源。     

新奥法在盘道岭软岩隧洞中的应用

文章以引大入秦工程盘道岭软岩长隧洞为例,通过对软岩的基本特征、隧洞的主要施工方法及特点的分析,总结了地下水对软岩隧洞稳定性的影响以及对失稳的控制.     

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。     

隧道围岩变形影响因素分析

在对岩体工程进行开挖的过程中,可能会破坏岩体中已经达到的平衡状态,并改变岩体结构的应力场分布,致使应力发生重分布问题,从而导致岩体结构发生变形或者破坏。鉴于此,以某隧道工程为实际研究对象,在对其复杂地质条件进行分析的前提条件下,选择下行方向XK20+680断面作为围岩结构力学模拟的工作区域,对隧道围岩结构变形的相关影响因素进行了分析与研究。     

兰渝铁路高地应力软岩隧道挤压大变形规律及分级标准研究

软岩隧道在高地应力作用下产生挤压大变形是必然现象。为有效控制挤压大变形,文章结合兰渝铁路软岩隧道工程特性,基于均质地层圆形洞室弹塑性位移解析解和我国现行规范围岩参数,研究了软岩隧道挤压大变形的规律,并提出了大变形分级标准及相应防治措施。在Hoek提出的无支护条件下围岩挤压程度分级标准基础上,以兰渝铁路软岩隧道为工程背景,考虑支护抗力作用,提出了在设计阶段以相对变形和岩体强度应力比为分级指标,将挤压大变形分为三个等级,根据岩体强度应力比进行大变形预测;在施工阶段以变形量和变形速率为分级指标,提出了三级验证标准和变形管理基准以及设计和施工阶段相应防治措施。通过实践验证,隧道大变形得以控制。     

深部极软岩巷道补充锚注加固机理及应用

文章采用有限差分软件FLAC~(2D),对深部极软岩巷道进行辅助锚注支护前后围岩变形破坏规律进行了数值模拟,对锚注支护施作前后锚杆的锚固力、围岩的位移及塑性区的变化情况等进行了系统对比。结果表明,辅助锚注支护显著提高了围岩的强度和承载能力,有效地控制了深部极软岩巷道的围岩变形。     

土岩软硬结合部隧道结构的震害机理分析及抗震研究

在土岩软硬结合部,土体与岩体由于刚度、质量密度等力学参数不同而产生不同的地震动响应,继而导致隧道结构发生严重破坏。文章结合青岛海底隧道相关资料,研究分析了地震灾害来临时隧道结构在土岩软硬结合部位的破坏机理及相关抗震措施。研究结果表明,在土岩软硬结合部,地震动作用下的围岩失稳、大的地震惯性力,以及大能量基岩面波产生的变形能都会导致隧道衬砌发生破坏,而大能量基岩面波产生的变形能是主要原因;当保持围岩稳定或使隧道结构的质量密度、刚度与围岩相差不大时都可以防止土岩软硬结合部隧道结构发生破坏,而后者是最有效的途径;轻质量延性隧道的抗震性能良好。本研究成果对于揭示土岩软硬结合部隧道结构的震害机理及优化抗震设计具有一定的借鉴意义。     

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。     

不同应变速率下裂隙砂岩强度特性及贯通破坏模式研究

施工开挖速度及工作面推进速率会对周围岩体的变形破坏行为产生极大的影响。为研究不同应变速率下裂隙砂岩强度特性及贯通破坏模式,利用伺服压力机对其进行单轴压缩,分析了裂隙砂岩力学特性、贯通破坏模式等随应变速率的变化规律,并从能量演化角度阐释了不同应变速率下裂隙砂岩的力学行为。结果表明:(1)裂隙砂岩试样峰值强度会随应变速率的增加,呈增大趋势且增幅逐渐变大,与完整砂岩相比,其应力—应变曲线呈现较大应力波动;(2)裂隙砂岩贯通模式主要以拉剪贯通为主,且随着应变速率增大,试样三裂隙区域破坏程度更大,剪贯通模式越为显著;(3)随着应变速率的增加,总能量、弹性能及耗散能均随应力的增大而增大,且应变速率越大,储存的弹性能所占输入总能量的比例越大,而耗散能所占比例越小。     

FLAC3D中锚杆拉剪断裂的实现与应用

隧道围岩大变形容易导致锚杆产生拉伸、剪切以及拉剪复合断裂。鉴于此,文章基于FLAC3D软件,对PILE结构单元的力学行为进行了修正,并通过二次开发FISH语言建立PILE单元断裂模拟数值模型;在此基础上,对层状岩体锚固系统中锚杆的断裂失效力学行为进行了分析。结果表明:(1)修正PILE单元得到的计算结果与室内试验结果吻合较好,且能较好地反映锚杆拉伸、剪切以及拉剪断裂力学特征;(2)层状岩体中锚杆断裂时,拉伸断裂锚杆在断裂前所承受的最大拉力达到其极限抗拉值;拉剪断裂锚杆在断裂前,其拉力及剪力最大值均小于相应的极限抗拉、抗剪值;(3)对于拉剪断裂锚杆而言,不考虑锚杆的剪切断裂会夸大锚杆的支护效果;对于拉伸断裂锚杆而言,不考虑锚杆的剪切断裂对锚杆支护效果的影响较小。     

土抗拉强度试验研究进展

土体张拉破坏是一种常见的破坏形式,它可能导致边坡失稳、地表开裂等工程灾害。一直以来,土工试验只有比较系统的测试土体抗剪强度的方法,而对土体抗拉强度的测试还不完善。文章对国内外既有的几种测试土体抗拉强度的方法进行分析和比较,对今后测试土体抗拉强度有积极的借鉴意义。     

地铁隧道基底饱水风化软岩动力响应及长期沉降研究北大核心CSCD

为探究列车循环荷载作用下地铁隧道基底饱水风化软岩动力响应及长期沉降,选取南昌地铁基底不同风化程度泥质粉砂岩为研究对象,开展了室内动三轴试验,提出了考虑加载次数、动应力比、偏应力比等因素的全、中风化泥质粉砂岩的累积塑性应变数学模型,结合动力有限元软件进行动力响应分析。结果表明:在不同风化程度组合地层中,地铁隧道基底位于全风化软岩时,列车荷载产生的动应力、加速度竖向影响范围分别为16.0 m、7.0 m,位于中风化软岩时动应力、竖向影响范围分别为11.0 m、6.0 m;全风化软岩层的动应力和加速度峰值均大于中风化软岩层的;结合累积塑性应变数学模型,当地铁运营100 a,列车速度为110 km/h情况下,隧道基底位于全、中风化软岩累积沉降预测值分别为25.68 mm、17.98 mm;列车速度的改变对隧道底部风化软岩的长期沉降影响较小。     

通用环错缝拼装盾构隧道结构设计计算参数研究

为了探明错缝拼装条件下盾构隧道结构的内力和使用修正惯用法进行设计计算的关键参数——弯矩传递系数、抗弯刚度有效率,文章根据地铁盾构隧道实际运营条件设计和实施了不同工况下通用环错缝拼装盾构隧道结构的足尺试验,分析了埋深、侧压力系数、纵向力、侧向抗力等对于结构内力和修正惯用法相关设计参数的影响。研究结果表明,弯矩传递系数对结构埋深和纵向力较为敏感,抗弯刚度有效率则受到侧压力系数、结构埋深、纵向力和侧向抗力的影响。     

软岩大跨径浅埋隧道工法对比研究

文章以广西某高速公路软弱围岩下浅埋大断面隧道为研究背景,采用MIDAS GTS-NX建立三维模型,动态模拟分析在新意法和新奥法(以双侧壁导坑法为例)两种施工方法指导下,隧道围岩的应力、变形及结构受力情况,研究这两类施工理念在软弱围岩环境下对隧道施工全过程稳定性的影响,并得出以下结论:(1)软岩环境下,隧道掌子面中部容易失稳,对超前核心土加固后能显著提高超前核心土的承载能力,有效控制掌子面挤出变形,保障施工安全;(2)新意法开挖机械化程度提高,能加快施工进度,节约施工成本;(3)新意法减少了对隧道围岩的扰动次数,能更加有效地利用围岩的自稳能力。     

超载对淤泥质地层隧道结构受力性能影响分析——以苏通GIL综合管廊越江盾构隧道为例

依托苏通GIL综合管廊越江盾构隧道,针对运营期岸坡段可能出现的地表超载问题,文章通过建立三维有限元精细化分析模型,研究了不同超载形式下管片结构的变形与裂损特征,分析了断面收敛变形、接缝张开、结构内力随堆载的发展规律,揭示了大面积堆载、局部堆载两种超载模式下结构的损伤演化机理,提出了地表超载控制标准。针对穿越淤泥质粉质粘土的大直盾构隧道,研究表明:(1)大面积堆载工况下隧道变形破坏过程分为三个阶段,分别以设计荷载、拱腰内侧钢筋受压屈服为分界点,第一阶段表现为弹性受力,第二阶段为带裂缝工作的塑性阶段,第三阶段为加速变形失稳阶段,破坏时表现为拱腰受压屈服,竖向收敛为110.5 mm,接缝基本未张开;(2)局部堆载工况下隧道受力同样分为弹性、塑性及加速变形失稳三个阶段,分别以设计荷载、拱腰外侧钢筋受拉屈服为分界点,破坏表现为顶底受拉破坏,竖向收敛152.6 mm,接缝张开4.36 mm;(3)大面积堆载模式下地表附加荷载的预警值为110 kPa,局部堆载模式下地表附加荷载的预警值为70 kPa。     

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。