超大断面隧道大倾角层状围岩力学特性研究

文章以重庆轨道交通环线莲花村车站隧道工程为依托,采用有限元数值模拟对超大断面隧道开挖时大倾角层状围岩的力学特性进行研究。通过建立大倾角岩层数值模型,对隧道进行不同工况的分步开挖计算,分析得到大倾角层状围岩的塑性区、应力和位移变化规律。结果表明:大倾角层状岩体塑性区位于层面内,层面塑性变形最大;围岩最大拉应力发生在上部中导洞围岩开挖支护过程中,上部左导洞以及中导洞外壁围岩产生最大拉应力;最大压应力发生在上部中导洞开挖支护过程中,大倾角岩层上部右导洞以及中部右导洞在各工况中产生最大压应力;隧道中、下部右导洞水平位移在二衬施加后达到最大,围岩最大下沉量位于上部左导洞处。     

基于FLAC3D的层面产状对软岩隧道变形的影响研究

为研究层面产状对软岩隧道变形的影响,文章依托某层状软岩地层的高速公路隧道实际工程,通过FLAC3D软件进行建模与计算,分析不同岩层产状下对围岩变形与应力的变化规律,得到如下结论:(1)围岩变形的主方向随层面产状的变化存在不同程度偏转,随层面倾角增大逐渐从以竖向变形为主过渡到以水平变形为主,围岩的变形方向垂直于层面时变形值最大;(2)随着与洞壁距离的增大,围岩的径向应力逐渐增大,切向应力先增大后减小,切向应力较大的区域围岩出现塑性区,且由于洞壁附近围岩的切向应力远大于围岩的径向应力,存在较大的压力差,导致洞壁附近的围岩发生塑性变形,甚至产生剪切破坏。     

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。     

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。     

基于应力判据的鸿图嶂隧道岩爆发生规律研究

本文以大丰华高速公路鸿图嶂隧道工程为依托,选取典型计算断面,采用数值模拟手段分析洞周围岩二次应力分布情况,分析岩爆产生的范围及烈度,最终完成对鸿图嶂隧道的总体岩爆预测.分析计算结果得到结论:(1)洞壁最大主应力随应力释放率增大而增大,直至应力释放系数为1.0时达到最大;(2)压力系数λ>1时,σ1的最大值位于拱顶,当λ≤1时,σ1的最大值位于边墙;(3)王兰生判据最为符合鸿图嶂隧道的实际岩爆情况,将其作为综合预测判据;(4)得到了鸿图嶂隧道全线岩爆综合预测结果.     

高地应力地区隧道围岩分级研究

隧道围岩分级是隧道施工的重要指导依据,尤其在高地应力地区其对施工的影响是不可忽略的。文章首先介绍了地应力侧压力系数、最大水平主应力方向与洞轴线的夹角α对隧道围岩分级的影响情况,然后通过增加最大主应力方向与洞轴线夹角指标对地应力进行了修正,并且在公路隧道设计规范的基础上,对Ⅲ,Ⅳ和Ⅴ级围岩增加了亚级分级,更准确地对隧道围岩分级进行了定级。在此基础上,以谷竹高速公路大坪山隧道为工程实例,利用考虑增加地应力大小及方向的方法对其围岩分级进行了修正,得到了与实际开挖较相符的结果。     

不同节理倾角对红层地区偏压隧道围岩稳定性的影响

以达州至万州高速公路沙坝湾隧道靠近洞口偏压段为研究对象,采用数值模拟的方法,研究了红层地层不同节理倾角下隧道围岩力学响应、变形特性。研究表明:红层地层中节理倾角对围岩应力和变形有较大的影响;当节理倾角与偏压坡面垂直时,隧道周边围岩水平方向应力与变形最大;当节理倾角与偏压坡面平行时,隧道周边围岩竖直方向应力最大。     

不同节理位置及倾角对隧道围岩稳定性的影响分析

文章以黄土含节理地区隧道开挖为例,采用有限元软件Midas建立模型,并考虑不同节理位置和节理倾角两种工况,对隧道围岩变形以及应力变化规律进行了分析。结果表明:(1)考虑不同节理位置时,对于水平位移,节理的存在会略减小靠近节理一侧拱腰的最大水平位移;对于竖向位移,节理的存在使得最大竖向位移向节理处靠近。节理在拱腰、拱肩和拱顶时,其最大竖向位移比无节理时分别大8.8%、10.3%和0.3%,节理在拱肩处应力比拱腰和拱顶时围岩应力分别大3.2%和4.0%。(2)节理倾角为30°、45°、60°和90°时的最大竖向位移值比无节理时分别大23.0%、14.8%、9.3%和7.4%,随着节理倾角的增大,最大竖向位移值逐渐减小;节理倾角为45°、60°和90°时的最大应力比节理倾角为30°时分别小0.4%、1.1%和2.0%,随着节理倾角的增大,最大围岩应力逐渐减小,但整体变化趋势不大。     

毛羽山隧道高地应力软岩大变形施工控制技术

兰渝铁路毛羽山隧道出口段穿越薄层状碳质板岩地层,区域原岩应力较大且以水平构造应力为主,隧道开挖过程中出现严重的大变形情况。通过分析,认为高地应力、最大水平主应力与隧道轴线呈大角度相交是大变形的主要因素。隧道施工过程中,通过采取提高支护体系刚度、合理预留变形量,以及采用长锚杆、多重支护和超短台阶法等常规措施控制了围岩变形;基于对围岩动态演化机制的认识,提出了高地应力隧道超前导洞法应力控制释放技术,开展了大型工程试验。阶段性试验成果表明,采用超前导洞有效地降低了正洞施工时的变形速率,对上中台阶影响尤为显著。通过对应力控制释放技术研究的进一步深化,有望探索出安全、高效的高地应力软岩施工新技术。     

套孔应力解除法在老营盘隧道洞身段的应用

依托老营盘隧道工程,本文采用应力解除法对隧道洞身段Z1K17?+?880处进行现场地应力测试。由测孔内的原岩应变,利用岩石的本构关系来间接计算原岩应力,同时将取出的岩芯制成标准试件,进行室内试验以获取原岩的力学参数。计算结果表明,最大主应力大小为27.44MPa,倾角-16.56°,方位角192.60°,测点岩石抗压强度与隧道洞身最大主应力之比为0.24。测试结果表明隧道测点处属于极高地应力状态,隧道在施工过程中可能会出现软岩大变形。     

下穿引水隧洞对铁路隧道地震效应的影响研究

结合云南省盐津县白水江三级电站下穿内昆铁路手扒岩隧道的实际工程,采用LS-DYNA显式动力分析程序对既有铁路隧道地震效应受下穿引水隧洞的影响进行了研究。研究结果表明:在单个方向地震波作用时,震动速度、加速度响应的最大方向与加载方向一致;在3个方向地震波同时作用下,既有隧道最大响应发生在边墙处;新建下穿隧道建成后,相当于减震洞的形成,既有隧道结构上震动速度、加速度及主应力均有不同程度的减小,使既有隧道交叉段的地震响应得到改善。     

极高地应力层状围岩隧道偏压演化规律及围岩控制

以大峡谷隧道缓倾层状围岩为工程背景,采用3DEC离散元分析方法并结合现场监测的手段,深入研究高地应力不同岩层倾角下围岩偏压演化规律,揭示偏压与现场支护结构破坏关系,根据锚杆支护参数对偏压控制的影响,提出支护最优参数。研究表明,在高地应力缓倾岩层条件下支护结构的变形及破坏呈现明显的非对称性,随着岩层倾角的增大,初期支护最大主应力峰值位置由拱顶向右拱肩转移,反倾侧弯曲变形大于顺倾侧滑动变形;随着锚杆长度的增加,围岩剪切滑移区、初期支护位移、初期支护最大主应力均逐渐减小,锚杆最优长度约为3.5～4.5 m,锚杆沿层理面垂直方向打设,初期支护结构的偏压现象得到明显改善;现场优化支护后,左右拱肩呈对称变形,位移量基本相同,偏压得到明显改善。     

倾斜软硬互层隧道破坏过程的围岩应力研究

文章结合重庆南涪高速公路鸭江隧道工程,进行了倾斜软硬互层隧道破坏过程的模型试验。试验结果表明,隧道的破坏从左侧边墙周围的软弱岩层开始。根据破坏特征可以将隧道破坏过程分为五个阶段,且隧道围岩的破坏会导致围岩应力的卸荷效应。采用有限元软件建立数值模型分析隧道破坏过程,数值计算结果表明:围岩的最大主应力极值始终位于隧道左侧拱腰处,与隧道最先破坏的位置不一致。从拱顶路径的应力分布分析,围岩的第三主应力为最大主应力。由于软硬岩层的岩性不同,围岩应力沿应力路径表现出震荡式变化。在隧道破坏的第一阶段,压力拱范围约为隧道开挖跨度的1.35倍。研究结果对类似隧道工程具有重要的参考价值。     

基于武当群片岩各向异性试验的隧道围岩变形机理分析

针对通省隧道拱顶出现纵向裂缝、拱肩钢拱架被剪断等变形破坏问题,文章考虑武当群片岩各向异性特点,基于波速试验、单轴压缩与三轴压缩试验,结合围岩变形特征调查与数值模拟试验,分析了武当群片岩试样应力-应变曲线特征与破坏形态特征,建立了弹性模量、泊松比、抗压强度随片理倾角从0°~45°~90°变化时的对应关系,提出了隧道围岩破坏模式,总结了隧道围岩变形机理。研究结果表明:武当群片岩各向异性在隧道围岩变形破坏过程中起到了控制性作用;非对称模式为隧道围岩主要破坏模式;当隧道围岩最大剪应力与片理空间关系不利时,围岩沿片理面发生剪切破坏。研究结果对武当群片岩区域在建或拟建地下工程的现场设计、施工开挖具有重要的指导意义。     

大相岭泥巴山隧道岩爆防治数值模拟分析

大相岭泥巴山隧道为雅安—泸沽高速公路的控制性工程,由于隧道埋深大、地应力高、穿越的地层主要为硬脆性围岩,洞室开挖后岩爆时有发生.文章以该工程为背景,通过数值模拟分析了开挖中采用锚喷支护措施对减弱或防治岩爆的效果,并对不同锚杆长度和间距的防治效果进行了对比分析.结果表明:采用锚喷支护能够降低最大主应力、增大最小主应力、减少主应力差,可以有效降低岩爆的烈度;采用间距1m、长度3m的锚杆进行锚喷支护最经济有效.     

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。     

软岩大变形条件下围岩变形与围岩压力的关系研究

为获得软岩大变形条件下围岩变形与围岩压力之间的关系,为大变形让压设计提供依据,文章利用FLAC3D数值模拟软件,计算了某单线铁路隧道开挖后在无支护条件下洞周发生不同变形量后施作弹性支护结构的最大压应力,并以此间接反映围岩压力,得到围岩压力随围岩变形的释放关系曲线。将类似工程实例的监测数据与该关系曲线进行对比分析,结果表明:围岩压力随围岩变形的释放关系曲线分为陡降区、调整区和缓降区三部分;软岩大变形可分为收敛型和非收敛型两类,收敛型大变形隧道将可量测的洞周变形控制在15 cm(洞周半径的3%)以内是经济合理的,且施作常规系统锚杆效果最好;非收敛型大变形隧道可量测的洞周变形量超过63 cm(洞周半径的14%)时,围岩压力释放效果才进一步提高;通过大幅的洞周变形来减小围岩压力时,将导致塑性区的大幅增加,此时的系统锚杆作用微乎其微。     

裂纹位置与深度对围岩岩体稳定性的影响分析

在隧道掘进过程中,天然地应力的平衡状态将会受到破坏并进行应力重分布,在构造应力场或自重应力场作用下将会引发裂纹的起裂、扩展和贯通,从而导致隧道的失稳坍塌。文章采用数值模拟和室内模型试验方法对比分析了裂纹位置、长度、深度等因素对马蹄形断面隧道围岩结构稳定性的影响。其中,数值模拟分析了隧道围岩的破坏形式及对裂纹尖端应力强度因子的计算,隧道模型试验研究了裂纹对隧道模型抗压强度的影响。结果表明:(1)数值模拟结果与模型试验结果较为吻合;(2)裂纹位于马蹄形隧道的拐角处或裂纹倾角为45°时,对隧道的稳定性削弱作用最大;(3)隧道围岩内裂纹的长度越长,隧道模型的抗压强度越小;(4)裂纹长度达到一定程度时,裂纹深度对隧道的危害性作用基本呈线性增加的趋势;(5)裂纹缺陷对隧道围岩应力重分布及破坏形式有较大的影响。     

大断面隧道深浅埋划分方法研究

在中国现行的铁路和公路隧道设计规范中,隧道深、浅埋的划分是以松弛荷载概念作为基础的,并具有统计上的意义,但这种划分方法线条较粗,并没有充分考虑围岩的自承能力.文章以隧道围岩能否形成安全有效的压力拱为基本原则进行了隧道深、浅埋的划分.对于地表水平或近似水平情况,按平面应变假定,认为面内最大主应力的最大值出现在压力拱的内边界处,而将面内最大主应力方向发生偏转(拱体内最大主应力方向为水平方向,拱体外部最大主应力将恢复为开挖前的竖直方向)的点作为压力拱的外边界;当地表有较大坡度时,由于地形对自重应力场分布产生的影响,这里以等效埋深代替实际埋深,用以修正按地表水平情况计算的深、浅埋分界值.根据上述思路,对目前在建的某四线大断面车站隧道,通过数值模拟,建议取30m埋深作为隧道深、浅埋分界值.     

基于离散元强度折减法的大跨隧道稳定性研究

节理面作为岩体中普遍存在的软弱结构面,对隧道围岩的稳定性影响较大,在节理较多的大跨隧道施工中,更容易发生拱顶掉块、塌方、滑移等灾害。基于此,文章依托贵阳市南垭路三号隧道,基于离散元强度折减法,采用3DEC软件对不同节理倾角、间距、组数以及衬砌参数情况下的隧道安全系数进行分析,评价了各因素对隧道稳定性的影响。结果表明:节理倾角越大、分布越密集、节理组数越多,隧道的整体稳定性越差;在单组节理的岩体中,节理倾角是影响隧道稳定性的主要因素;喷混凝土层对隧道的整体稳定性提升显著,10 cm厚喷层即可比裸洞的安全系数提高17.9%,并据此提出了隧道衬砌参数的优化建议。