软弱围岩下浅埋隧道稳定性的能量分析

基于能量的角度,采用极限分析理论中的上限定理对软弱围岩下浅埋隧道的稳定性进行分析,得到了围岩压力的理论公式。研究表明:埋深、土体容重越大及黏聚力、内摩擦角越小,浅埋隧道的围岩压力越大,破坏范围也越大;当埋深较大、围岩较好时,浅埋隧道由于自稳能力有可能不会发生破坏,而对于比较差的围岩,在施工过程中应采取更为安全可靠的支护措施,以防止发生垮塌破坏。     

浅埋隧道围岩破裂面的极限平衡分析

为探索浅埋隧道稳定性定量分析,采用极限平衡法和变分原理分别建立自由边界条件下浅埋隧道的垂直型、倾斜型和曲线型破裂面稳定分析方法,结合数值模拟共同分析浅埋隧道破裂面分布形式和稳定性指标。研究结果表明:当F为静止土压力时,曲线型和倾斜型破裂面条件下所获浅埋隧道破裂面分布和安全系数很接近,且所获安全系数最小,选择其作为浅埋隧道稳定性分析比较保守;浅埋隧道围岩破裂面分布受内摩擦角、内聚力和支护压力的影响相对较小,受隧道埋深影响最显著;内摩擦角和埋深对隧道安全系数影响相对较小,内聚力和支护压力对隧道稳定系数影响最显著,增加围岩内聚力和支护压力是提升隧道安全系数最有效的方法。     

埋深对TBM法掘进隧道应力变形的影响

为了研究不同隧道埋深对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响,对TBM法掘进隧道时的围岩稳定性进行有限元数值分析,分析不同埋深条件对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响。计算结果表明,随着埋深的增加,应力、位移、塑性区、发生岩爆的几率都有不同程度的增加。地应力以构造应力为主,洞周不存在拉应力区,塑性区呈环状分布。当埋深较大时,进行管片收敛变形计算时采用MC准则要优于DP准则,当侧压系数增大时,管片应力变形有不同程度的增加。掌子面附近管片收敛较小,往洞口方向收敛变形值逐渐增大,在距掌子面500 m之外的管片收敛变形趋于稳定。     

基于双极坐标法浅埋圆形隧道围岩非线性弹塑性分析

考虑围岩的非线性特性,采用双极坐标系研究弹塑性半无限空间内浅埋隧道围岩应力分布和塑性区域。在连续、均匀和各项同性的无限半空间下建立浅埋隧道开挖模型,围岩求解问题可当作半无限平面问题,并且将平面依据双极坐标曲线划分。在地表均布荷载和隧道径向支护力作用下,基于广义Hoek-Brown强度准则推导出半无限空间内水平圆形隧道围岩的弹塑性应力解析解以及塑性半径、塑性区域范围和隧道临界支护力计算方法。最后,通过数值计算,分析地质强度指标、内部支护力、地表荷载和隧道埋深的变化对浅埋隧道围岩的塑性半径、塑性区域形状和应力分布的影响规律。通过与其他基于线性强度准则下的应力计算方法进行对比,验证本文方法的有效性。之后的结果显示,两种准则计算结果差距十分小。     

暗挖海底隧道地震动水压力响应分析

考虑黏弹性人工边界与流固耦合作用,建立了衬砌结构-土-海水相互作用的力学模型,基于Newmark算法,利用ANSYS有限元软件分析了在不同地震激励和埋深条件下动水压力的影响机理与隧道衬砌的振动响应规律.计算结果表明:在含有竖向分量的地震激励下,动水压力对浅埋海底隧道的内力影响较大,分析时不容忽视;当隧道埋深超过一定值后,结构地震反应变化微小可忽略.同时,针对圆形海底隧道进行的有限元计算结果可为海底隧道的工程抗震设计提供参考.     

基于连续介质模型的海底隧道支护结构受力特征

在含水地层中开挖隧道,地下水的存在一方面会影响隧道周边地层的力学参数,另一方面也会在围岩中产生渗流体积力,进而影响地层的应力和位移.对于埋深较浅而水压力较高的海底隧道而言,支护结构除承受围岩压力外,还要承受很高的水压力.支护结构的受力特征受隧道围岩和支护结构间接触面剪应力、隧道顶板厚度、水深、围岩侧压力系数以及支护结构的厚度和刚度等因素的影响,而经典隧道支护结构内力弹塑性解假设的边界条件与实际情况相差很大.文中阐述了弹性力学应力函数法推导支护结构内力的解析解,并采用数值分析方法研究了海底隧道支护结构的受力特征.通过FLAC3D程序验算了厦门翔安海底隧道Ⅴ级围岩海域段支护结构的内力,比较分析了断面形状对支护结构受力的影响.     

水位与进尺及支护时机对富水隧道稳定性的影响

以实际富水隧道为参考背景,通过不同水位、支护、开挖条件建立三维数值模拟,分析富水隧道在不同条件下的稳定性及围岩变形。研究结果表明:地表沉降和开挖面的水平位移均随着水位的上升而增加,并且水位越接近地表,地表沉降和开挖面的水平位移增加得越明显;支护在滞后2.5 m时,相应的拱顶沉降和塑性区与及时支护条件下相差不大,但在支护滞后5.0 m时,拱顶沉降和塑性区域显著增大,并且塑性区向上部围岩蔓延;随着进尺增加,围岩位移与塑性应变增大;随着渗流时间增加,掌子面前方的孔隙水压力逐渐减少,逐渐呈现漏斗状分布。     

渗流效应对基于广义非线性屈服准则洞室弹塑性解的影响

考虑渗流效应,基于广义Hoek-Brown非线性屈服准则,推导出圆形洞室围岩塑性区半径、洞壁径向位移和洞室周边径向应力的数值解.绘制在考虑渗流的情况下和基于广义Hoek-Brown屈服准则的不同围岩条件下,圆形洞室内外水头差h与R/e(R为塑性区半径,e为洞室半径)的关系曲线、围岩特性曲线和径向应力的分布曲线.研究结果表明:在水头差相同时,位于较差围岩中洞室的塑性区比位于较好围岩中洞室的塑性区发展快;在支护力相同时,支护结构对处于较差围岩中的圆形洞室洞壁位移约束效果较差;在围岩质量较差时,渗流效应对圆形洞室径向应力的影响比围岩质量较好时的影响大.     

基于广义Hoek-Brown屈服准则的圆形巷道围岩弹塑性力学分析

考虑不同巷道埋深对支护压力的影响,采用广义Hoek-Brown屈服准则对圆形巷道围岩进行弹塑性力学分析。利用在弹塑交界处应力连续的条件及巷道周边的应力边界条件,得到了塑性区的应力和巷道的支护压力与原岩应力之间的解析式。研究表明:塑性区的应力和巷道的支护压力不仅与本身的力学特性有关,而且还与原岩应力有关;并针对质量较差的软岩,分析了在不同支护压力条件下巷道所能承受的最大原岩应力及其所对应的最大的埋深。分析结果表明:支护压力与原岩应力及其所对应的巷道埋深存在明显的线性关系。     

非均质和各向异性土质浅埋隧道支护力研究

针对土体的非均质和各向异性,以土质浅埋隧道为例,采用极限分析上限法和可靠度方法研究隧道支护力的大小.结果表明,土体非均质和各向异性对支护力的影响程度取决于隧道的埋深.当埋深小于15m时,围岩的自稳能力较差,土体非均质和各向异性的影响不能明显地体现出来,支护力主要随埋深的增大而增大;当埋深大于20 m时,围岩的自稳能力较强,支护力随土体非均质和各向异性的增大发生明显变化,埋深越大,土体非均质和各向异性对支护力的影响越强.可靠度研究表明,非均质和各向异性参数的分布及变异系数的大小对支护力的影响较大,对数正态分布时影响更为明显.建议在土质浅埋隧道设计时,务必考虑土体的非均质和各向异性,防止保守支护增加工程成本或支护力不足引起隧道坍塌.     

大凉山地区深埋高地应力公路隧道岩爆机理及防治对策

本文以乐西高速大凉山2号隧道工程为依托,对大凉山地区深埋高地应力公路隧道岩爆机理及防治对策进行研究。从深埋隧道岩爆孕育力学角度出发,结合能量及应力条件,运用有限元分析软件MIDAS-GTS-NX分别建立隧道在不同埋深、进深及断面形状的三维有限元模型,对围岩应力特征进行比较分析。研究结果表明：从力学角度来看,岩爆的孕育过程是由弹性转换为塑性,并发生在塑性岩体中,周围弹性岩体负责为其提供能量,围岩储存的能量和开挖导致的应力集中分别是岩爆发生的根本条件和触发条件;隧道埋深、进深以及断面形状是影响隧道岩爆的重要因素,其中埋深对其影响最为明显,围岩最大主应力与隧道埋深、开挖进深及断面大小呈正相关性;隧道埋深在600 m左右时,围岩最大主应力达到45.90 MPa。根据强度应力比法,结合施工钻孔取芯参数,最终结果表明大凉山隧道属于极高地应力区,具有发生岩爆的风险,施工时应当采取相关防范措施。     

地下圆形隧道开挖卸荷围岩弹塑性分析

针对地下圆形隧道,在分析开挖卸荷的基础上,分别给出了弹性和弹塑性围岩二次应力的计算表达式.在弹性不同侧压力条件下,分析了围压切向应力分布规律,当λ0.33时,圆形隧洞围岩将不出现拉应力.当围岩处于弹塑性状态时,考虑围岩稳定的前提下,扩大塑性区半径R,就可降低维持极限平衡状态所需的支护抗力pi,充分发挥了围岩的自承作用.     

用有限元强度折减法对海底隧道进行稳定性分析

利用有限元强度折减法求得的安全系数与潜在滑动面,不仅可以评价隧道的稳定性和设计的合理性,还可以对支护参数和施工工艺提出改进建议.计算表明,青岛湾址隧道的埋深、双洞净间距均安全合理;隧道围岩的整体变形不大,局部位置变形明显,在支护设计及施工过程中这些部位需重点考虑;双洞上拱出现拉应力区,但是最大拉应力值小于岩石抗拉强度.模拟结果为海底隧道结构设计提供了可靠的分析依据.     

基于Hoek-Brown的双向不等压隧道支护估算及工程应用

现行隧道塑性区分析中常基于轴对称荷载建立分析模型,忽略侧压力带来的影响。增加了对围岩侧压力的考虑,基于Hoek-Brown准则推导了双向不等压圆形隧道的塑性半径及应力计算式。依托滇中引水工程板凳山隧洞的监测数据,结合滑移剪切模型对隧道的极限位移和极限支护应力进行计算。结果表明:在确定围岩材料参数的条件下,塑性边界上的径向应力为恒值;环向应力在θ为0～30°范围内与侧压力成正比,在θ为30°～90°范围内与侧压力成反比,当θ取30°时环向应力为最大值,最终形成蝴蝶状的曲线。隧洞塑性区范围随着侧压力系数的降低呈现出上下端部小,中间部分大的椭圆形,在λ<0.38后,塑性区不再是可完整包裹开挖截面的椭圆形。基于滑移剪切模型对隧洞极限位移和极限支护应力进行计算,完善具有滇中红层特性的隧洞支护特征曲线。根据以上的计算结果对支护方案进行修正,并通过监测结果验证了方案的合理性。     

深井高地应力巷道围岩弱化规律及控制技术

深井高地应力围岩控制是深井支护的难点,应用FLAC3D软件对深井半圆拱巷道在高地应力作用下围岩的弱化规律进行研究,发现深井高地应力围岩塑性区出现不连续分布的现象,随着时间的推移,塑性区逐渐增大,表明深井围岩属于非线性力学系统.同时,分析了不同侧压系数下的巷道围岩应力和位移,得到了在巷道纵向上和横向上两者的变化情况,以及不同地应力对深井锚喷网加锚索协同支护效果的影响.提出深井高地应力围岩高强度、高刚度以及大范围的围岩控制技术,并对不同地应力情况下的支护效果进行监测,取得了较好的支护效果.     

破碎围岩隧道开挖小导管高压注浆机理及效果分析

小导管高压注浆法是隧道工程不良地质施工采用的一种超前支护技术.本文以河北张石高速黑石岭隧道出口浅埋破碎段为例,对小导管高压注浆法在软弱破碎围岩开挖中的加固机理进行了研究,采用FLAC三维数值模拟方法对小导管施做过程中受力机理和注浆时围岩的塑性区、位移场进行了模拟,定量分析了小导管注浆法的加固效果.研究表明,采用小导管高压注浆法能显著抑制软弱破碎围岩的变形,减少隧道支护结构的变形和受力,避免浅埋软弱破碎围岩开挖中塌方现象的产生.     

考虑注浆圈与复合衬砌时体外排水方式设计

基于反映法、叠加原理及渗流力学理论构建了是否含注浆圈的两种体外排水简化计算模型,推导了隧道与体外排水洞涌水量的计算公式、隧道二次衬砌外水压力表达式,通过解析退化验证了理论模型及解析公式的正确性与适用性,根据推导公式进行了参数敏感性分析,最后通过数值模拟进一步进行了检验.结果 表明:体外排水洞与隧道涌水量均随注浆圈渗透系数的下降而非线性降低,隧道二次衬砌外水压力随注浆圈渗透系数的下降而非线性增大,但其临界值小于常规排水方式;增加初期支护的厚度可达到降低二次衬砌外水压力及隧道涌水量的目的;围岩与注浆圈、注浆圈与初期支护渗透系数合理比值分别为15与100,同时须严格控制二次衬砌渗透系数;排水洞洞径对体外排水洞涌水量影响显著,为保护地下水资源,体外排水洞洞径推荐为0.2 m.     

蠕变作用下埋深对结构受荷特征影响分析——以广佛环线东环隧道工程为例

为研究在围岩蠕变作用下不同埋深软岩盾构隧道管片结构的受荷特性,以广佛环线东环隧道工程为背景,利用FLAC~(3D)(fast lagrangian analysis of continua in 3 dimensions)有限差分软件建立了数值分析模型,采用改进的黏弹塑性蠕变本构(burgers-creep viscoplastic model, CVISC),分析了埋深对管片的位移、内力及与围岩的接触压力影响。结果表明:隧道初期开挖之后,顶部围岩沉降,底部发生隆起,考虑围岩蠕变效应后,管片衬砌发生整体沉降,隧道埋深越大,管片体整体沉降越发显著;随隧道埋深的增大,弯矩、轴力与接触压力均逐渐增大。围岩未考虑加速蠕变下,蠕变过程中管片衬砌的内力和接触压力的变化规律基本相同,有衰减蠕变和稳定蠕变两个阶段。     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。