非线性破坏准则下浅埋隧道支护参数上限解

鉴于土体材料破坏准则的非线性以及参数离散的自然属性,针对浅埋隧道的稳定性问题,提出基于极限分析非线性理论的可靠度计算方法。研究结果表明:将非线性破坏准则退化成线性破坏准则后,本文计算结果与已有研究成果基本一致,验证了文中方法的正确性。在上限解分析中,土体的非线性系数对围岩压力以及破坏范围有很大影响,建议进行支护设计时必须考虑土体破坏准则的非线性,防止因支护力过小或安全系数不足而引发坍塌事故。在可靠度计算中,非线性系数是影响隧道结构可靠度的主要因素,针对非线性系数给出了浅埋隧道满足3种安全等级所需要的安全系数与支护力,为隧道设计规范进行了补充,也为今后浅埋隧道的支护设计提供了参考价值。     

富水砂层盾构隧道开挖面稳定性及其失稳风险的分析

以位于富水砂层中的深圳地铁11号线某区间隧道工程为例,采用有限差分软件建立富水砂层盾构隧道的三维数值模型,模拟分析4种不同支护压力作用下盾构隧道开挖面的稳定性;在此基础上,提出基于稳定系数的开挖面失稳风险分析方法,用于对富水砂层盾构隧道开挖面失稳风险的分析和评估。结果表明:支护压力越接近前方土体的静止水土压力,则开挖面变形越小,开挖面也越稳定;富水砂层盾构隧道的极限支护压力比约为0.4,高于不考虑孔隙水压力时的隧道极限支护压力比。现场实际工程验证表明,基于稳定系数的盾构隧道开挖面失稳风险分析方法可以快速、有效地确定隧道开挖面失稳的风险等级,可用于快速评估富水砂层中盾构隧道开挖面的失稳风险。     

软弱围岩隧道机械化全断面施工超前支护体系设计方法研究

保证掌子面的稳定是实现软弱围岩隧道机械化全断面施工的前提,合理的超前支护措施及参数是控制掌子面稳定性的有力手段。针对目前隧道超前支护设计方法不完善且多依赖于工程经验的现状,提出隧道超前支护体系定量化设计方法。基于经典楔形体模型,推导了考虑四种常用超前支护措施(掌子面喷混凝土、超前管棚、掌子面锚杆、掌子面预注浆)时掌子面稳定系数K的计算公式,提出了掌子面喷混凝土支护力P_1、掌子面锚杆支护力P_2、管棚支护下围岩压力折减系数α_1、掌子面预注浆加固后围岩黏聚力增大系数α_2的计算方法,制定了隧道超前支护体系设计流程,并以郑万高速铁路荣家湾隧道为背景验证了该计算方法的合理性。研究成果可以为软弱围岩隧道超前支护体系设计、优化提供理论支撑。     

盾构隧道开挖面支护力上限分析

盾构在掘进的过程中,必须确保隧道开挖面前方土体的稳定。将隧道沿纵向简化成平面应变情况,利用双对数螺旋线破坏模式,基于极限分析上限定理,对隧道开挖面前方土体的主动破坏形式进行研究。将盾构机作用在开挖面上的支护力视为均布荷载,得到支护力的上限解,利用Matlab软件编程求解该上限解的最优解,讨论各参数对破坏模式形状和支护力大小的影响。研究结果表明：破坏模式的形状由内摩擦角φ决定;随着黏聚力c和内摩擦角φ的增大,隧道的支护反力σt减小。     

岩体隧道围岩弹塑性变形条件下管片衬砌支护机理研究

基于D-P屈服准则的围岩支护作用理论,以隧道掘进机(TBM)施工过程中支护位置与掌子面的距离作为动态参数,综合考虑注浆圈的应力变形特征,构建岩体隧道围岩弹塑性变形条件下围岩、注浆圈和管片衬砌三者动态变形协调方程,提出三者的变形计算方法和管片衬砌围岩压力计算方法,明确管片衬砌对采用TBM开挖的岩体隧道的支护机理。针对新街台格庙岩体隧道工程实例,计算不同支护条件下围岩变形及管片衬砌围岩压力,并通过数值模拟验证理论方法的合理性和有效性。结果表明:如果在掌子面开挖处开始进行支护,管片衬砌围岩压力将达到1.91 MPa,管片安全系数仅为0.76;如果在掌子面后4 m开始进行支护,安全系数将提升至1.25。建议距离掌子面12 m处开始进行支护,可将围岩压力降至0.24 MPa,管片衬砌具有较高的安全系数。     

上软下硬地层隧道掌子面稳定性及塌方形态

为分析上软下硬地层对新奥法施工隧道稳定性的影响,定义掌子面软弱地层相对厚度系数无量纲参数;应用有限元模拟和强度折减相结合的方法,研究不同相对厚度系数下隧道掌子面的稳定性及其塌方形态。结果表明:软硬地层分界线在掌子面中,软弱地层相对厚度系数越大,稳定性越小;随着软弱地层相对厚度系数的增大,掌子面前方塌方范围扩大,最大位移在掌子面软弱地层中心偏下位置,应力拱的范围在扩大,且传递到掌子面下部的力更大,因此更应注重掌子面下部的加固。黏聚力和内摩擦角对掌子面稳定性的共同影响存在最优路径,沿此路径加固效果最为有效;掌子面稳定性随土体重度、开挖高度和掌子面软弱地层厚度的增大而减小;覆跨比对掌子面稳定性影响存在极值,以此作为确定隧道合理埋深的参考条件之一;地表超载只在浅埋情况下才影响掌子面的稳定性。     

软岩隧道的围岩变形计算

文献[6]在考虑软岩的剪胀、蠕变和非线性破坏准则等影响后,推导隧道的围岩变形表达式.在此基础上,考虑软岩的塑性大变形特性后,分别根据相关联与非关联流动法则,推导出圆形隧道位移解.通过计算得出:在软弱的围岩或土中,剪胀角的大小对隧道塑性区软岩位移影响很大.     

盾构推进过程中刀盘前方土体变形与应力特征研究

盾构法是城市地铁隧道施工的主要工法之一。盾构推进过程中不可避免地引起掌子面土体扰动,进而对盾构前方土体的稳定性产生较大影响,而目前对于盾构推进引起前方土体的位移与应力的研究较少。利用Mindlin解,基于盾构受力特点建立力学模型,推导掌子面前方地层变形与应力计算公式,并将工程实测值与理论计算值进行对比分析,得出盾构推进引起土体位移和应力的影响范围及影响程度。结果表明,掌子面前方土体变形主要受盾壳与土体之间的摩擦力影响,正面推力附加应力引起的变形较小,盾构推进对前方土体的应力主要由摩擦力引起。研究结果可为盾构现场施工控制提供理论和计算依据。     

软岩隧道的围岩变形计算

文献[6]在考虑软岩的剪胀、蠕变和非线性破坏准则等影响后，推导隧道的围岩变形表达式．在此基础上，考虑软岩的塑性大变形特性后，分别根据相关联与非关联流动法则，推导出圆形隧道位移解、通过计算得出：在软弱的围岩或土中，剪胀角的大小对隧道塑性区软岩位移影响很大．     

考虑开挖面空间效应的隧道支护设计新方法

隧道开挖面的空间效应对选择合理的支护时机十分重要。本文利用位移释放系数来确定隧道前期变形,提出了考虑开挖面空间效应的隧道支护设计新方法,给出了其具体应用步骤,并得出因素影响特性。研究结果表明:中间主应力、围岩剪胀特性及不同施作距离对支护的起始作用位置及围岩稳定变形均有显著影响,但支护压力间的差异却相对较小,因而隧道支护设计既要依据支护压力,还要保证对围岩变形的有效限制作用。     

隧道掌子面锚杆加固参数确定方法

依托新意法的基本概念,提出锚杆加固密度、加固长度、加固范围的确定方法;基于摩尔库伦屈服准则对两种超前措施的力学原理进行解释,提出两种措施的适用条件;采取理论分析和数值模拟相结合的方法,根据掌子面上土体的约束力和锚杆锚固力的平衡以及单根锚杆的局部锚固力确定锚杆的加固密度,根据掌子面失稳机理与破裂面的深度确定锚杆的加固长度。最后通过不稳定状态下隧道掌子面的稳定过程,阐述核心土保护措施和核心土加固措施的适用条件。研究结果对隧道施工支护参数的确定具有一定参考价值。     

近接溶洞条件下隧道施工掌子面变形破坏特征数值分析

以宜万铁路齐岳山隧道工程为背景,以危险地段的岩溶地质条件为基础,应用三维有限元分析方法,在隧道掌子面前方的溶洞规模大于、等于和小于隧道掌子面规模的3种情况下,模拟分析不同岩体厚度、不同岩溶水压力时隧道掌子面的变形破坏规律。研究结果表明:当溶洞直径大于或等于隧道直径时,相同岩溶水压力作用下掌子面变形值相近,当溶洞直径小于隧道直径时,掌子面变形量小;掌子面变形量最大值出现在掌子面中心位置;当掌子面与岩溶洞壁之间的距离大于2.0 m时,掌子面变形量增加并不明显;在溶洞内无水压力条件下,掌子面岩体塑性区范围很小,但随着水压力的增大,塑性区的范围逐步增大。     

高速铁路隧道超前支护稳定性试验研究

为研究深埋隧道超前支护的应用效果,依托银兰高铁香山隧道工程,模拟开展隧道三台阶法开挖对比试验,通过分析不同位置土压力变化情况、掌子面变形情况和锚杆微应变峰值变化,研究锚杆支护对于掌子面和围岩稳定性的影响。研究表明：(1)锚杆支护对土体变形有很好的限制效果,并且对于竖直方向土体限制要优于水平方向。(2)锚杆支护对于掌子面前方土体的加固限制了上方围岩的变形范围,间接提高了围岩稳定性。(3)锚杆支护后,掌子面最终变形量减少0.92 mm,位移量较未支护减小近50%。(4)掌子面中部位置的锚杆支护效果最优,而上部锚杆变形较大,建议与小导管、管棚等配合使用。研究成果可为隧道施工时对于掌子面锚杆超前支护的稳定性提供理论参考。     

下穿砂土地层掌子面盾构推力大小的极限分析

研究目的:确定掌子面推力大小是保障周边土体稳定的重要前提,在下穿既有隧道工程中更为关键。基于极限平衡法和筒仓理论,考虑既有隧道的荷载作用,推导砂土地层中下穿既有隧道工况下掌子面盾构推力计算公式,通过数值模拟和实际工程验证公式的正确性。在此基础上讨论考虑既有线和不考虑既有线两种计算方式的适用性,最后分析土体内摩擦角、两线距离及覆土厚度等参数对掌子面极限推力的影响。研究结论:(1)筒仓理论适用于下穿既有线工程掌子面极限推力计算,推导所得公式计算结果更精确;(2)砂土地层中盾构下穿既有隧道时,掌子面盾构极限推力随着与既有隧道间距、覆土厚度增加而增大,随着土体内摩擦角增大而减小;(3)本研究成果为新建隧道盾构安全下穿既有隧道工程提供理论参考。     

浅埋大直径盾构隧道开挖面局部破坏的被动稳定性研究

浅埋盾构隧道施工时开挖面极易发生被动破坏，而大直径盾构隧道开挖面的被动破坏更为复杂。利用极限分析上限法建立浅埋大直径盾构隧道开挖面被动稳定性分析的二维破坏机制，该机制考虑了仓内土压梯形分布和仰拱上方处开挖面局部破坏的影响，并提出开挖面局部被动破坏时的极限支护压力上限解。通过对计算结果的参数分析发现，无黏性土的开挖面极限支护压力是土体有效内摩擦角φ^′和归一化无量纲参数埋深比C/D的函数，同时φ^′和C/D对开挖面局部被动破坏的起点位置存在影响；而黏性土的开挖面极限支护压力是φ^′和C/D以及有效黏聚力c^′的函数，但是有效黏聚力c^′对极限支护压力的影响要小于φ^′和C/D的影响。将本文与已有上限解进行对比，验证了本文所提上限解的有效性，结果表明，本文的上限解能够预测开挖面任意深度处的局部被动破坏的通解，而已有上限解只是假定开挖面发生全局被动破坏的特解。最后，结合实际工程验证上限解的合理性，该计算方法能够合理评价浅埋大直径盾构隧道开挖面的被动稳定性。     

营盘路湘江隧道断层破碎带段施工掌子面稳定性分析

考虑地下水渗透力作用,采用三维数值模拟的方法对营盘路湘江隧道断层破碎带段施工掌子面的稳定性进行研究,对比分析未注浆加固与注浆加固两种情况掌子面的稳定性。研究结果表明:未注浆加固时,隧道施工掌子面的稳定性不能满足要求;注浆加固后,围岩及掌子面的稳定性得到显著提高,其安全性能够满足要求;注浆加固起到了明显的堵水作用,改善了初支的受力状态,有效地控制了围岩位移,缩小了围岩及掌子面的塑性区范围,其对提高围岩及掌子面稳定性效果显著。     

黏性土地层中盾构隧道开挖面极限支护力理论解

基于黏性土地层条件下盾构隧道开挖面模型试验和数值模拟的失稳破坏形态,对常规楔形体模型进行修正,建立棱柱楔形体模型。通过极限平衡法得到考虑土拱效应黏性土层盾构隧道开挖面极限支护力的解析表达式。采用FLAC 3D建立数值计算模型,通过多因素敏感性分析方法,确定开挖面破坏极限状态的支护压力比。将本文解析解与数值分析解、既有理论解以及离心机试验结果进行对比,验证了本文解析解的合理性和适用性。     

Ⅳ级围岩隧道两台阶法开挖进尺研究

以吉图珲高铁富岩1号隧道为工程实例,运用有限元分析方法对不同开挖循环进尺下的隧道两台阶法进行数值模拟,对比分析不同工况下隧道变形和应力的响应规律,得出工程适用的开挖循环进尺。研究结果表明:开挖进尺对围岩变形影响较大,两者呈线性正相关关系;在Ⅳ级较差围岩条件下,拱顶受拉破坏先于拱腰和掌子面的受剪破坏,拱顶掌子面后方1 m处第一主应力达到最大值;随着开挖进尺的增大,拱顶第一主应力和拱腰、掌子面处D-P值均增大,隧道更易发生破坏;Ⅳ级较差围岩,开挖进尺建议取2.0 m,Ⅳ级偏好围岩开挖进尺可增大至4 m。     

构造破碎带隧道掌子面稳定性及加固效果分析

在构造破碎带地层中隧道开挖掌子面易失稳。采用有限元软件MIDAS/GTS模拟上下台阶法开挖,研究掌子面失稳机理及需采取的应对措施,并提出8种掌子面加固方案。结合洞内掌子面与拱顶监测数据,研究各加固方案下掌子面挤出位移、拱顶沉降位移及掌子面塑性应变。研究结果表明:构造破碎带掌子面挤出位移过大,地层软弱易进入塑性状态致使掌子面失稳;上台阶掌子面的中下侧为最容易失稳部位;采用原始支护+注浆加固4 m的方案对掌子面注浆加固能降低掌子面挤出位移、拱顶沉降位移及塑性应变,该方案支护效果最佳。     

浅埋隧道盾构掘进地层挤出破坏形态与临界压力上限有限元分析

采用上限有限元方法分析地层参数(土体重度,内摩擦角,黏聚力)、隧道埋深与直径、土体剪胀效应等因素综合影响下浅埋隧道盾构掘进地层挤出破坏模式与临界压力。研究表明:临界压力系数随内摩擦角增大而增大,且重度比越大临界压力系数增大得越明显;临界压力系数随重度比和埋深比的变化基本呈线性增长;内摩擦角较大时,耗散能密度呈斜向条带状分布,地层向上隆起破坏范围较大;重度比较大时,耗散能密度呈更窄更集中的斜向条带状分布,至地表有所发散;埋深比越大,剪切带起始位置越靠下,并在隧道斜上方弯曲程度越大;地层挤出破坏区域主要出现在隧道正上方,地表鼔出近似呈倒置锅底状,隧道正上方至地表一定范围内地层整体向上运动,斜向上方向变形最大。