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.     

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。     

浅埋暗挖黄土隧道地层及围岩力学特性变化规律

以新建蒙华铁路运煤通道青化砭隧道为依托,埋设地层变位和围岩应力测试元件,对开挖时黄土地区大跨径浅埋隧道的地层及围岩力学特性变化规律进行了研究。结果表明：拱顶沉降和水平收敛变形可分为均匀变形阶段和稳定变形阶段,竖向地层沉降随埋深的增大先增大后减小;当工作面稳定时,横截面方向和轴线方向的水平位移超前影响距离分别为8m、15m。滞后和超前开挖时,周围土体横截面方向和轴向水平位移分别向隧道内侧和背离隧道方向发展;初期支护施做后,衬砌应力重新分布,仰拱压力增大,而左右拱腰压力不变。所得结论可为黄土地区浅埋暗挖大跨度隧道的设计和施工提供参考。     

陡倾角层状岩体中地下洞室围岩的变形

考虑到层状岩体顺层滑移和弯曲变形的特点,将Cosserat介质理论引入到大型地下洞室的开挖模拟中,基于Matlab编制了考虑偶应力的有限元程序,并对一个简单地下洞室模型进行模拟分析。结果表明:洞周围岩的变形随层面间距的增大而减小,洞室变形的不对称性在层面间距越小的情况下越明显;大型洞室高边墙的位移随层面倾角先增大后减小,反倾向一侧的位移在倾角为60°达到最大,而顺倾向侧边墙在30°达到最大;在洞室的同一高度处,当岩层倾角缓时顺倾向侧洞周位移要大于反倾向侧的位移,而当倾角变陡后,顺倾向侧洞周位移要小于反倾向侧的位移;层面的切向刚度对洞周位移影响很大,洞周位移随切向刚度系数的减小而迅速增大,但切向刚度系数减小到一定程度后将趋于稳定。数值模拟表明用Cosserat介质来模拟层状岩体是合适而且方便的。     

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。     

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。     

具有不同倾角层状结构面岩体中隧道稳定性数值分析

通过引入细观层次的微元体,采用损伤力学和统计理论的单元本构模型,利用岩石破裂过程分析软件RFPA(realisticfailureprocessanalysis),对具有不同倾角层状软弱结构面岩体中隧道的变形破坏特征、隧道周边关键部位的位移进行了分析·结果表明,层状结构面倾角大小对围岩的破坏失稳模式有显著的影响·随结构面倾角的增大,隧道周边应力分布的非对称性逐渐增强,从而造成了破坏模式的非对称性·结构面倾角增大对边墙的受力有不利影响·这对于进一步深入理解具有软弱结构面中隧道破坏失稳机理并采取有效的加固措施等具有理论和实践意义·     

不同应力场软弱围岩公路连拱隧道力学特征试验

为了更全面了解不同应力场软弱围岩公路连拱隧道的力学特征,选择曲中墙连拱隧道结构形式,基于"先加载后开洞"思路,开展施工过程相似模拟试验,研究不同应力场软弱围岩连拱隧道施工应力变化特征,分析应力场对支护结构受力的影响。试验结果表明:不同应力场,在左、右洞开挖过程中,侧压力系数较小时,拱底和拱顶应力释放最为显著,侧压力系数较大时,拱腰应力释放最为显著;围岩与衬砌接触压力,除在中墙顶、底方向随侧压力系数的增大而略有减小外,其他各方向均随侧压力系数的增大而增大;中墙压应力的量值随侧压力系数的减小而增大;左、右洞衬砌结构内外侧受力不对称,且侧压力系数对衬砌结构的切向应力影响很大,即随着侧压力系数的增大,切向应力最大值位置逐渐由外侧拱腰向拱顶过渡。     

围岩流变特性对隧道二衬支护时机的影响

为了研究岩体流变特性情况下隧道二衬的支护时机,首先推导了在考虑围岩流变特性时,衬砌抗力、位移及围岩的位移表达式;然后以广梧高速公路茶林顶隧道岩体为工程背景,探讨了考虑岩体流变情况下,隧道二衬支护时机的确定方法,并对比了围岩拱顶下沉实测值和理论计算值。结果表明：(1) 理论分析所建立的衬砌抗力、位移及围岩的位移表达式中均包含了时间参数,可确定达到不同衬砌抗力、位移及围岩位移所需要的时间;(2) 围岩拱顶下沉实测值和理论计算值表现出相同的发展规律,验证了所建立方法的正确性。     

基于Hock-Brown准则的层状岩体隧道开挖响应分析

利用Hoek-Brown准则描述岩体的强度特征,并建立相应隧道开挖的数值计算模型,分析不同侧压系数时层状岩体的变形破坏特征.研究结果表明,隧道边墙水平位移随侧压系数K的增大而增大,但当K为2.0-2.5时,位移随侧压系数的变化幅度逐渐减小;顺层岩体一侧的水平位移大于逆层一侧的水平位移;当侧压系数较小时,顶板沉降量大于底板回弹量,当侧压系数较大时,二者之间的差别较小;隧道围岩的破坏形式包括剪切破坏和拉伸破坏,当侧压系数较小时,破坏区域较小,主要位于隧道的左上部;随着侧压系数的增大,围岩的破坏区域逐渐增大,但主要部位仍位于隧道的左上部,而右上部的破坏区域较小.     

充填黏土型岩溶隧道大变形换拱衬砌受力研究

为了研究溶腔充填黏土的岩溶隧道大变形换拱后衬砌的受力特性,根据三江至柳州高速公路大塘隧道施工过程中左线(JK139+489～JK139+555)段围岩大变形换拱处置方案,采用现场测试与数值模拟的研究手段,分析了该类隧道围岩大变形情况下注浆换拱前后隧道初期支护及二衬的受力情况。结果表明：该类隧道发生大变形时拱顶部位变形最大,受力最大,拱脚处次之且局部受拉,拱腰最小,换拱后拱顶部位依然是受力最大点,拱脚受力减小;发生大变形后围岩注浆与支护时机是换拱处置方案有效性的主要影响因素,该类隧道处置应着重考虑提升围岩自身稳定性;注浆换拱后系统锚杆可起到加固围岩作用,同时隧道二衬作为主要受力结构与初期支护共同作用可减少支护结构约66%的变形,是保证隧道长久稳定的主要因素。     

马蹄形洞室围岩稳定性结构面倾角效应分析

为了分析不同倾角结构面对马蹄形洞室围岩稳定性的控制机理,文章运用数值模拟的方法分析了15°、30°、45°、60°、75°5种典型倾角结构面横穿马蹄形洞室断面时围岩应力分布、围岩位移的特征,探讨了结构面产状控制围岩变形与破坏的机理。通过对应力场和位移场的分析可知:当结构面倾角小于等于60°时,塑性区随结构面倾角的增大不断减小;当结构面倾角大于60°时,塑性区随倾角增大而增大;在结构面倾角为60°时,洞室围岩的塑性区最小,相对稳定。     

水对灰质泥岩隧道围岩稳定性影响研究

在灰质泥岩隧道施工过程中,水会导致围岩岩石的物理化学性质发生变化,进而对隧道围岩的稳定性有着重要的影响。基于金盆弯隧道现场的监控量测数据,通过分析雨季和非雨季时相同埋深、相同地质情况下隧道段面的围岩与初期支护之间的压力、初期支护钢支撑的应力及隧道拱顶沉降结果,确定了水作用下,围岩与初期支护之间应力随时间的变化情况、初期支护内力随时间的变化情况以及拱顶沉降随着时间的变化情况。并通过有限元数值模拟软件ABAQUS,模拟隧道开挖后,在有水和无水环境下围岩横向和竖向位移的变化,得到:水的存在导致隧道围岩的拱顶沉降增大,拱腰及边墙收敛增大,进而分析水对围岩的稳定性的影响。通过对比分析拱顶沉降的数值模拟结果与现场监控量测结果,可以看出两者的沉降变化规律相吻合,验证了模型的合理性,从而进一步更改完善施工、设计方案,来保证隧道的安全施工,同时也为今后研究水对围岩岩石性质及围岩稳定性影响的机制提供了参考。     

锚固洞室平面装药条件下模型试验

通过室内模型试验,从洞室破坏形态、自由场应力、洞壁应变、拱顶和底板位移、洞室围岩加速度5个方面,对不同锚杆支护形式洞室在平面装药条件下破坏情况和受力变形特点进行了研究。试验结果表明:在平面装药条件下,洞室破坏主要发生在拱顶及拱角附近,全长黏结式锚杆带筋板支护形式能明显减小拱顶拉应变、拱腰压应变和边墙竖向应变。弹力式锚杆带筋板支护形式能明显减小拱顶拉应变和边墙竖向应变,但会增大拱脚环向压应变;两种支护形式对边墙底部应变影响不明显。总体来看,全长黏结式锚杆加固效果较弹力式锚杆好。试验结果对锚固洞室抗爆设计具有重要参考价值。     

隧道压力拱与围岩变形关系

压力拱是隧道工程开挖后围岩的自承载现象,对隧道稳定有着重要意义。通过数值分析可以发现,压力拱拱体内的岩体变形增长缓慢,压力拱内边界与隧道之间的岩体变形急剧增加;压力拱内边界越靠近隧道,隧道的变形量越小;压力拱厚度小,外边界处的变形也相对较小。在节理倾角分别为30°和60°及不同的节理间距条件下,压力拱位置、形态及拱体厚度均有所变化。     

45°倾角正断层粘滑错动对隧道影响试验分析

通过1∶50室内模型试验,模拟了45°倾角正断层粘滑错动下,与之正交的隧道结构的受力变形破坏过程,并布置传感器监测了隧道顶部和底部的围岩压力、隧道轴向的应变和隧道环向的应变.结果表明,围岩压力在剪切带附近发生显著变化,上盘和剪切带范围内拱顶压力显著增大,下盘拱顶压力次之,上盘和剪切带隧道底部压力减小,下盘底部压力显著增大,隧道与下部围岩可能局部脱空以适应断层的剪切位移;上盘和剪切带范围内隧道纵向弯矩为正,下盘范围内为负,隧道偏心受压;以原型混凝土压坏来判定衬砌破坏,初步确定原型结构破坏所容许的最大断层位移D=0.7m,理论上该值略偏大;隧道衬砌破坏区域长度,在剪切带和下盘范围分别为1.7和2.8倍隧道宽度.     

浅埋黄土隧道不同施工与加固方法的颗粒流数值模拟

针对浅埋黄土隧道在开挖过程中发生的拱顶过量沉降问题,采用颗粒离散单元法模拟了不同开挖方法和加固措施对围岩稳定和变形的影响,分析了6种工况的围岩压力分布和位移发展情况,讨论了开挖方法和加固措施对隧道围岩稳定的影响.模拟结果显示,隧道拱肩和拱脚应力集中处水平位移较大,拱部和边墙开挖为黄土隧道留核心开挖施工中的关键工序,施工中宜及早支护避免隧道发生过大变形.浅埋黄土隧道拱顶下沉量远大于周边收敛;对于相同的支护形式,留核心土下部全断面开挖法产生的位移总量约为留核心土下半断面分部开挖法的1.2倍;对于相同的开挖方法,无超前注浆支护产生的位移总量约为有超前支护的1.5倍;而有无系统锚杆的隧道围岩变形量基本相同.研究表明,浅埋黄土隧道可采取超前导管注浆减小隧道开挖变形,而系统锚杆由于支护效果不明显可考虑取消.     

不同倾角硐室围岩稳定性模型试验及数值模拟

论文首先在相似理论的基础上,以河砂、水泥、石膏为相似材料,调整其配比,制备出符合模型实验要求的砂岩和泥岩相似材料。通过对模型试样进行长期加载试验得到：当进行长期加载时,随着层状倾角的增大,位移变化先增大后减小,这是由于随着倾角的不断增加,互层岩体模型的整体刚度先减小后增加,所以导致了位移先增大后减少。最后利用ANSYS有限元软件对互层岩体硐室开挖模型进行稳定性分析,帮中与顶板底板处变形较大,同时由于层理的存在使得顶板位置的变形要大于帮中位置,倾角对硐室围岩变形以及应力变化具有较大影响,45°倾角时硐室围岩的变形量最大,应力集中最明显,此时容易发生滑移破坏。文中结论对实际地下工程支护和设计有一定的借鉴意义。     

新建立交隧道施工对既有隧道影响的模型试验

为分析新建立交隧道施工对既有隧道的影响,采用公路隧道结构与围岩综合试验系统对立交隧道进行三维物理模型试验。对既有隧道2个剖面的围岩压力、围岩内部位移及支护内力进行全程监测,通过分析得出：既有隧道Ⅰ剖面围岩压力受到的影响较大,Ⅱ剖面围岩压力受到的影响较小,各监测点的围岩压力基本处于减小状态,拱底围岩的稳定性降低;拱顶和拱腰围岩内部位移表现为拉伸变形,且拱顶处的变化值远大于拱腰处的变化值;既有隧道支护轴力变化的最终值基本为增加,支护弯矩变化的最终值都为减小;0.25D立交间距下既有隧道的围岩压力、内部位移及支护内力受新建隧道的影响较大,建议将立交隧道的立交间距控制在0.5D以上。     

四车道大跨度浅埋黄土隧道开挖方案数值分析

为保证四车道浅埋黄土隧道的施工安全,优化施工方案,采用数值模拟手段对大断面黄土隧道开挖常用的三台阶七步开挖、中隔壁、交叉中隔壁和双侧壁4种方法进行系统的对比和分析。结果表明:(1)四车道浅埋黄土隧道与普通的两车道隧道变形存在较大差异,拱顶下沉显著增大,水平收敛较小且拱脚有向外挤出的趋势,故变形监测应以拱顶下沉为主;(2)地层竖向位移随深度的增加线性增大,距拱顶4m范围内呈指数型增大,且与洞周形成塑性区有关;(3)围岩应力均未超过其强度极限,初期支护应力较大,起到了主动承载和控制围岩松弛的作用,其与围岩共同承担大部分荷载,二次衬砌应力普遍较小,可为隧道结构提供安全储备;(4)变形控制要求严格的地区推荐使用双侧壁法,允许较大变形的情况优先采用三台阶七步开挖法。结论可为黄土隧道设计和施工方法的选择提供理论依据。