叙大铁路隧道节理特征对围岩变形的影响

节理发育是隧道变形的主要影响因素之一。以叙大铁路隧道节理的发育特征情况为背景,采用离散元软件UDEC对隧道围岩节理特征进行了数值模拟,分析了围岩节理组数、倾角、间距以及围岩支护对隧道变形的影响。研究结果表明,隧道变形随节理组数增大而增大,主要点变形区域受节理倾角控制,当隧道节理间距小于1cm时,对隧道围岩变形影响较大。     

岩层倾角对层状偏压隧道围岩稳定性影响分析

针对层状岩体偏压隧道在不同岩层倾角下的围岩稳定性问题,采用3DEC离散元数值模拟,研究了顺、反倾层状岩体双洞隧道随岩层倾角变化时的围岩变形规律,并对隧道偏压程度进行了分析.研究结果表明：随着岩层倾角的增大,隧道围岩变形从岩层弯曲变形逐渐向顺层面滑移变形转变,临界角度为45°;左洞最大拱顶沉降为23.60 mm,比右洞最大拱顶沉降小17.94 mm,可见先开挖隧道围岩变形较大;从应力计算结果看,岩层倾角从0°到90°变化时,隧道偏压程度随其增大有所起伏,但总趋势是增加的.以顺倾右洞隧道为例,在倾角为45°时,隧道拱肩、拱腰、边墙的竖向应力差分别为0.45、0.42、0.40 MPa,应力差最小,偏压程度最好.在倾角为90°时,应力差分别为0.65、0.64、0.67 MPa,应力差最大,隧道偏压最为明显.研究的相关成果可为山岭偏压隧道的设计和施工提供有益参考.     

基于块体理论的围岩稳定性分析及数值模拟研究

岩体的完整性及节理裂隙的发育程度是影响围岩稳定性的主要因素。潜在失稳块体将引起围岩掉块、剥落、滑移甚至坍方等失稳现象。以小三岔口隧道为依托,基于块体理论研究,借助围岩结构分析和数值模拟相结合的方法,从岩体结构特征入手,定位隧道开挖潜在失稳区域,寻找可动块体,确定关键块体,深入分析围岩失稳变形模式,揭示无支护条件下围岩的变形、受力特征并提出针对性施工建议。研究结果显示:岩体节理裂隙发育、节理面相互切割成不利组合和岩块结构面结合性差是围岩失稳的根本原因;关键块体的运动是造成围岩失稳的直接原因。     

成对节理对废弃黄土窑洞边坡稳定性的影响

节理在黄土地区普遍发育,一般成组成对出现,它的存在破坏了土体的整体性和连续性,形成的软弱面对黄土洞室和边坡的稳定性造成安全隐患。通过实地调查、数学统计等方法,对研究区节理分布特征和灾害类型进行系统研究,在此基础上将废弃黄土窑洞边坡变形破坏归纳为窑洞冒顶破坏和窑洞崩塌破坏2种模式。通过建立不同成对节理条件下的有限元模型,对废弃黄土窑洞边坡稳定性进行计算分析,结果表明：①成对节理远离拱顶且间距越大时,稳定性越低,同时发育X节理时的稳定性比垂直节理时更低;②成对节理对竖直位移的影响比对水平位移的影响大,而发育的X节理倾角越小时,窑洞更容易发生洞口局部崩塌及窑脸冒顶灾害;③Mises等效应力在窑腿、立壁和拱顶不规则处更为集中,成对节理远离拱顶和间距增大时节理两侧的围岩应力差距越小,且当成对X节理倾角时变小时,最大等效应力值增大,节理附近更容易发生破坏。     

基于压力拱理论的深埋节理岩体隧道围岩压力研究

为研究节理岩体隧道围岩压力计算方法,以隧道压力拱理论为基础,通过离散元数值模拟分析了岩体的坚硬程度、完整程度和结构面的抗剪强度对隧道压力拱的影响,应用多元线性回归拟合了多因素围岩压力公式,并结合依托工程对拟合公式进行了适用性分析。结果表明：节理岩体隧道压力拱范围为拱顶到最大主应力方向的偏转点,隧道压力拱高度随着节理间距和结构面的抗剪强度的增大而减小,岩体力学参数对压力拱高度的影响较小;与现场实测的围岩压力相比,计算误差在15％以内。所提围岩压力公式适用性良好,为节理岩体的围岩压力计算提供了新的思路。     

跨不同倾角软弱层隧道围岩变形规律

山区隧道与地下工程的建设中多会穿越软弱夹层或破碎带等软弱地层。此类软弱地层几何形态变化大,力学性能差,隧道开挖后的收敛变形往往难以控制,这也成为山岭隧道施工以及结构设计的难点所在。本文着眼于软弱地层倾角对隧道围岩开挖变形的影响规律,利用模型试验,对无支护条件下软弱层围岩的拱顶、拱腰进行研究,监测了软弱层倾角分别为45°、60°、90°、120°、135°时隧道开挖造成的收敛变形;并结合数值模拟方法,进一步对比验证了模型试验的检测规律。结果表明：软弱层倾角对隧道围岩变形的影响十分显著。随着软弱层倾角的增加,隧道拱顶、拱腰以及仰拱的围岩位移先减小后增大。不同软弱层倾角下,通过归一化处理发现,拱顶和拱腰位置数值计算和模型试验的围岩位移变化结果呈现出高度的一致性。且根据监测面的塑性区云图,剪切破坏的区域贯通,分布于隧道一周,其面积随着软弱层倾角的增加,先减少后增大。     

地面超载条件下覆跨比对浅埋隧道稳定性的影响

以青岛地铁江西路站为工程背景,通过典型数值模型的计算与分析,研究了地面超载环境中覆跨比对浅埋隧道的变形与受力特征等开挖稳定性规律.结果表明:不同覆跨比下浅埋隧道的破坏形态相似,首先是拱肩部位的围岩发生剪切破坏,然后破坏面逐渐发展至地表,围岩的塑性区形状呈倒锥体;覆跨比大小对隧道的围岩稳定性影响显著,覆跨比小于0.2时,围岩的破坏程度严重,出现地表、拱顶沉降变形不收敛的现象;覆跨比增大,有利于加强围岩与支护的共同作用,可以控制地层的变形发展、降低围岩的应力扰动;地面超载值越高,隧道结构的变形与地表沉降越大,围岩的应力扰动也越严重.     

断续节理倾角对围岩变形破坏影响的数值分析

断续节理的存在使围岩的稳定性、变形特征和应力分布更加复杂。基于颗粒流强度折减法,用PFC~(2D)分析不同倾角断续节理围岩的应力分布、变形特征及破坏模式。结果表明:随着节理倾角的增加,洞周应力集中的位置从倾角为0°时在洞左上、右下角逐渐逆时针旋转至倾角为90°时在洞两侧,同时节理间的应力分布从集中在对角线上逐渐变成均匀分布于整个岩块上,应力分布的不同最终导致围岩的破坏不同;节理与洞壁相交处位移较大,左右边墙中点位移受到断续节理倾角的影响远大于拱顶底中点位移受到的影响;断续节理倾角较小时,围岩损伤的范围更大且损伤更严重。为进一步了解在断续节理岩体中开挖洞室后围岩的破坏机理及采取相应的支护措施提供一定的指导。     

考虑锚固支护对层面剪切特性影响的隧道变形破坏特征

本文基于对ABAQUS有限元软件切向接触模型的二次开发,研究层状软岩隧道在不同层面倾角条件下的稳定性变化规律,分析层面抗剪强度与锚固支护之间的关系,揭示锚固支护强度对层状软岩隧道围岩变形破坏的影响规律。研究结果表明：在层面抗剪强度较低时,围岩变形可分为基岩变形与层面剪切滑移变形;不同地应力条件下,基岩变形在层面倾角为45°时最小,且随层面倾角的变化呈“U”形分布;在地应力较小时,层面剪切滑移变形显著,围岩发生层面剪切滑移变形与基岩屈曲变形的复合破坏模式;锚固加固后,随着层面黏聚力增加,层面剪切滑移与基岩变形均呈指数减小,基岩塑性区分布由“纺锤形”逐步过渡为均匀分布,基岩的塑性破坏区显著减小;层状软岩隧道开挖后,垂直层面正应力分布沿层面可分为应力降低区与应力增强区,锚固支护可减小层面正应力的降低幅度,抑制基岩的屈曲变形。层状软岩隧道变形破坏本身具有明显的非对称性,锚固支护可协调层面与基岩之间的变形差异性,使围岩变形区域更均匀,有效提升围岩整体承载力。     

层状岩体隧道变形特征数值模拟研究

为研究层状岩体的层厚与倾角对隧道及围岩稳定性的影响,以贵州省栗木山隧道为背景,采用有限元软件ANSYS分析了层状白云质灰岩地层隧道开挖后的围岩与支护结构受力变形特征,得到了不同岩层厚度和结构面倾角时围岩和衬砌的位移云图、关键节点的位移。研究结果表明,隧道拱部竖向位移呈"V"型分布,最大竖向位移出现在隧道拱顶,最大竖向位移随岩层厚度增大而减小,存在明显的临界厚度,当岩层厚度大于0.6m,减小趋势变缓;倾斜岩层隧道围岩与衬砌位移存在明显的非对称性,岩层倾向侧位移小于另一侧,非对称性随倾角增大先增大后减小,倾角45°时最为明显,倾角大于60°时逐渐趋于平稳;拱脚和墙帮的位移受倾角变化小。层状岩体隧道支护设计、施工时应避免拱顶和非对称变形过大造成事故。     

遍布节理模型在层状岩体模拟中的适用性研究

为弥补遍布节理模型未考虑节理长度、间距及节理刚度的不足，利用三轴压缩数值试验和参数校准准则，对有限差分软件FLAC3D中的遍布节理模型进行参数校准. 通过圆形洞室开挖的算例，对比分析了遍布节理模型与3DEC块体离散元模型的计算结果在位移、塑性区以及最大主应力上的差异. 依托具有典型层状围岩的新华山隧道工程，采用校准的遍布节理模型和离散元方法分析隧道开挖和初期支护后的力学响应. 最后探讨了层理角度对围岩变形和塑性区的影响，进一步验证校准后的遍布节理模型在工程中的适用性. 研究表明，经过校准的遍布节理模型能够较好地描述层状岩体的各向异性行为，可应用于类似工程之中.     

基于水-岩相互作用的富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征

为研究开挖卸荷和水力荷载耦合作用下富水断层破碎带隧道突涌灾害演化特征,以沈白高铁西谷隧道工程为依托,考虑不同富水破碎带构造形式及地下水赋存特征,开展隧道突涌灾害演化过程研究。基于水-岩相互作用原理,建立三维离散元粘合块体-裂隙流耦合模型,明确不同地质构造特征下的隧道突涌灾害模式,分析破碎岩体裂隙扩展和地下水渗流的时空演化规律。研究结论有:(1) 引入粘合块体模型和裂隙流组合模型,建立了富水断层破碎带水岩相互作用力学模型,再现了富水破碎带隧道突涌灾害演化过程。(2) 不同富水破碎带构造形式引起的突涌灾变模式差异显著,且具有不同的触发条件和表现形式。断层破碎带倾角为45°时,破碎岩体沿掌子面下部溜塌涌入隧道,倾角为90°时,围岩向掌子面挤出,倾角为-45°时,表现为拱顶围岩垮塌。(3)富水破碎带突涌灾害程度随着水头增大而加剧,其中倾角为-45°时,突涌灾害程度受水头高度的影响最显著,倾角为90°时,水头高度影响相对较弱,但突涌灾害程度最严重。     

节理岩体对P波传播的影响

应力波在节理岩体中的传播规律是十分复杂的,不仅会受到岩石物理力学参数的影响,还会受到节理性质及分布特征的影响.以含平行双节理的岩体作为研究对象,采用数值模拟的方式探讨了平面P波在节理岩体中传播规律.首先,对含平行双节理的岩体进行了分析,探讨了节理刚度、归一化节理间距、节理倾角、节理刚度比对质点振速缩放系数(VSF)在节理前、节理间和节理后分布特征的影响.结果表明:对于节理岩体,节理刚度越大,平面P波的透射性越好,能量衰减的越少;在一定范围内,归一化节理间距越大,能量衰减的越多;节理倾角对不同位置的监测点的影响各不相同;不同刚度比下,对节理2附近的监测点影响较大,其余监测点基本上没有影响.     

浅埋偏压小净距隧道围岩变形影响因素数值模拟研究

通过有限元数值模拟软件模拟了浅埋偏压小净距隧道在不同间距和不同埋深条件下的开挖,研究了隧道间距和埋深对隧道围岩变形的影响。结果表明:隧道的最大变形出现在拱顶,但并不在拱顶的正中间,而是中间偏右侧;右侧隧道的拱顶、拱底和侧墙等部位的位移均比左侧隧道的大;随着隧道间距的增大,地表沉降值不断减小,而拱顶下沉累计沉降量先减小后增大;随着隧道埋深的增大,拱顶沉降量增大,地表沉降累计值减小。     

扁平超大断面隧道的施工力学特征及其动力稳定性分析

针对超大断面小近距隧道支护设计中的围岩压力分布、位移变形特征问题,以牛寨山双洞八车道公路隧道为研究对象,建立了考虑工程实际地形、工程地质的三维有限元模型,开展了隧道开挖的施工力学形态数值模拟分析,得到了隧道施工过程中隧道围岩变形规律,探讨了小净距大断面隧道近接施工的影响规律.结果表明,小净距大断面隧道所表现出来的施工力学特性复杂,由于偏压的影响,围岩整体水平位移呈非对称分布,最大水平位移发生在南线隧道拱肩处,隧道拱顶下沉最大值发生在先行洞,隧道仰拱处隆起较大;应力集中在两洞仰拱和拱脚处.在此基础上,开展了隧道开挖后的动力有限元计算,分析了洞口段地震力作用下的动力响应,评价了其动力稳定性.计算结果可为优化设计、指导隧道施工以及为隧道稳定性和支护结构安全性评价提供参考.     

富水软弱围岩隧道穿越断层破碎带的稳定性分析及施工技术

研究了富水软弱围岩隧道穿越断层破碎带围岩稳定性影响问题及施工技术.以国家一带一路重点项目云南临沧临翔至清水河高速公路马家寨隧道工程为依托,通过有限元软件MIDAS GTS NX分别建立不同断层破碎带夹角、倾角的隧道三维有限元模型,对隧道围岩稳定性进行分析,并提出相应处治措施.研究结果表明:拱顶沉降、仰拱隆起及周边收敛均呈现出先增大后减小的现象,说明距离断层越远,对围岩稳定性影响越小;围岩变形的突变范围均随着断层倾角、夹角增大而减小;不同断层倾角、夹角工况下围岩应力均为压应力;断层处围岩应力明显小于周围围岩,围岩应力分布状态发生改变;断层破碎带对富水软弱围岩隧道围岩稳定性影响较大,应加强地质预报并采用全断面超前帷幕注浆堵水方案.     

断层破碎带隧道围岩敏感性及沉降控制分析

为探明施工隧道穿越断层破碎带时何种断层形态对围岩稳定性影响最为显著,以绵九高速公路五里坡隧道不同断层形态为例,采用三因素四水平数值模拟正交试验对围岩敏感性分析。此外,为避免隧道开挖至断层破碎带时围岩发生较大变形及破坏,保证隧道施工过程安全,对断层的响应特性进行概括,需对断层段围岩注浆加固提高其稳定性。最后,对注浆加固圈厚度分别为：0m、1m、2m、3m的断层段隧道施工过程进行FLAC 3D三维模拟,采用位移控制率均值K对隧道断层及前后段整个区段的围岩控制效果进行定量评价。结果表明：1）断层倾向在各水平条件下变化时,拱顶沉降和边墙位移基本不发生改变,其余两因素对隧道拱顶沉降和边墙位移的影响程度分别为：断层厚度＞断层倾角、断层倾角＞断层厚度。2）注浆加固圈厚度由0m递增至3m时,隧道轴向位移和塑性区面积依次减少,但注浆加固效果也明显下降。3）通过围岩控制率k定量分析注浆加固对位移的控制效果,断层前后段的位移控制率均小于断层处。可见,在既能保证工程安全,又能减少注浆的使用,加固圈为2m时效果最好。     

公路偏压隧道开挖及支护的数值模拟研究

在查明隧道围岩工程地质条件的基础上,运用有限元研究了公路隧道开挖与支护过程中的应力、位移及塑性区的分布规律。结果表明,锚喷支护对于控制围岩拱顶和底鼓的变形作用明显,拱顶竖向位移在施作锚喷支护后增幅明显减小,在二次衬砌施作之前趋于稳定;隧道稳定性最不利位置在拱顶、拱腰和底部,建议设计时适当增加锚杆的数量,施工时要加强初期支护并控制好喷射混凝土的厚度,防止过大的回弹变形。     

穿越煤层和断层的隧道开挖围岩变形分析

山区地质构造复杂,难免穿越复杂地层,此类地层强度和稳定性较低,往往对隧道围岩变形起着决定作用。本文以宝鼎2号特长公路隧道为依托,基于数值模拟和现场监测数据,分析隧道穿越断层及煤层时围岩的变形规律。研究结果表明：隧道穿越断层及煤层时,拱顶、拱腰、仰拱处的位移都发生突变,最终位移值皆远大于不含断层及煤层处的围岩,且不同空间位置的煤层对围岩变形的影响不同,与隧道轴线相交的煤层对隧道拱顶、拱腰、仰拱位移都有明显影响,而只处在隧道上方的煤层,仅对隧道拱顶的位移有影响,对拱腰和仰拱位移影响很小。     

影响双向节理岩质边坡稳定性因素的灰色敏感性分析

通过系统分析双向节理岩质边坡的工程破坏现象,总结了影响稳定性的5大因素:节理间距、节理摩擦角、节理倾角角度差、开挖坡脚以及块体的内摩擦角。运用UDEC离散元数值模拟方法和强度折减法作为边坡安全稳定性评判方法,利用上述5大因素构建正交试验方案,系统研究5大因素对双向节理岩质边坡稳定性的影响。最后运用灰色关联法分析了5大影响因素对双向节理岩质边坡稳定性的影响权重,结果表明:5大影响因素中权重最大的是块体内摩擦角和节理摩擦角,而节理倾角差、节理间距、坡体开挖角度对边坡稳定的影响力较小,因此在工程中需要着重关注块体内摩擦角和节理摩擦角的取值。